钴是一种重要的战略金属,但我国钴资源紧张,多为共伴生矿。其中低品位钴矿石(次生氧化铜钴矿)是重要的钴伴生矿之一,其可选性差,有价金属品位低,难以回收利用。低品位钴矿石的嗜酸属细菌(Acidithiobacillus)生物浸出液存在固体蛋白颗粒和铁含量高的特点,造成溶剂萃取界面污染和钴电积产品劣质,难以采用传统的溶剂萃取—电积工艺流程回收其有价金属。本文针对上述低品位钴矿生物浸出液的特点,重点开展铜萃取界面污物的产生及消除工艺,固体颗粒絮凝脱除机理,针铁矿法除铁技术及其滤饼过滤性能研究,细菌蛋白对钴电积的影响及脱除机制,消除了生物浸出液固体蛋白颗粒,降低铁含量,最终实现铜钴的提取和分离,铜、钴回收率分别达到99.40%和99.03%。论文结果对我国低品位氧化铜钴矿的综合利用具有重要的意义,获得如下研究结果:(1)通过对铜萃取过程界面污物进行分离及鉴定,发现溶剂萃取时进入萃取界面的固体颗粒是影响乳液的稳定性、造成金属、萃取剂损失的主要原因。采用阴离子聚丙烯酰胺絮凝剂处理低品位钴矿浸出液,溶液去浊率可接近100%,使萃取界面污物的产生得以控制。(2)酸性硫酸盐介质中,引起界面污物产生的固体颗粒带有正电荷,具有良好的亲水特性。首次通过扩展德亚盖因—兰多—弗韦—奥弗比克理论(EDLVO理论)计算,确认颗粒之间的静电作用能及亲水排斥能是造成固体颗粒稳定,难于自然沉降的直接原因。研究发现,絮凝剂分子可通过异种电荷之间的静电作用包覆于颗粒表面,形成絮团,致使固体颗粒之间的亲水排斥能转化为疏水吸引能,以利于固体颗粒的沉降。(3)脱除固体颗粒后,钴矿浸出液被用于萃取提铜。采用有机相为25%LIX984N的煤油溶液,在萃取相比为1:1,平衡pH值为1.25的条件下,可使铜萃取率达99.40%,铁的夹带为4.03%,钻为0.85%。采用中性水对负载有机相洗涤,可有效降低铁和钴的共萃率。洗涤后的负载有机相采用200 g·L-1的硫酸水溶液进行反萃,在相比为1:1时,通过两级逆流反萃,铜反萃率可达98.10%。(4)针对限制溶剂萃取提钴的铁元素,采用部分水解针铁矿法(E.Z法)进行脱除,并对沉淀的滤饼过滤性能进行研究。首次通过中心复合设计试验,建立了除铁过程控制模型并获得了除铁参数的优化方法。E.Z法除铁后,含钴溶液的除铁率及钴回收率可同时接近100%,并且铁渣中铁含量及硫酸根含量分别控制在60%以上及10%以下。温度、pH值及晶种用量均会对构成沉淀的物质种类及形貌,过滤时的滤液流量及滤液质量产生影响。首次证实了针铁矿滤饼滤孔轮廓的分形维数与沉淀颗粒的物质种类及生成条件相关性。当滤饼中孔隙的分形维数介于1.24～1.25之间时,过滤过程能够维持较好的滤液流量及滤液质量。(5)采用溶剂萃取技术,对影响电积过程的低浓度铜、铁元素进行脱除,并对钴进行富集沉淀。最终形成的富钴溶液,钴浓度可达37.420 g·L-1,铁浓度为0.875 mg·L-1,铜浓度为0.178 mg·L-1,细菌蛋白为0.152 mg·L-1。此电解液采用氢氧化钠沉降,制备电积用氢氧化亚钴粉末,钴沉淀率可接近完全。(6)针对生物冶金技术回收电积钴时易产生劣质产品的问题进行研究。首次发现磷酸类萃取剂P507及含钴电解质对生物蛋白表现出良好润湿性能,致使部分细菌及其降解产物随钴的溶剂萃取进入电积流程。钴电积时,细菌蛋白吸附于阴极表面,增加钴析出的阴极过电位及沉积能耗,削弱整平剂的作用。当电解液内细菌蛋白浓度高于30 mg·L-1时,阴极钴形貌发生改变,甚至开裂剥落。(7)对钴电积过程进行优化,适宜电积条件为钴浓度60 g·L-1,硫酸钠浓度为25 g·L-1,电解质溶液温度为60 ℃,电解液pH值维持在4.0～5.0之间,阴极电流密度为400 A·m-2,该条件下钴电积电流效率可达到98%以上。研究中发现细菌蛋白存在累积现象,但累积的细菌蛋白可以通过提高阴极电流密度的方法予以分解。