基于Pb-Cu界面特性和超重力场下的相分离原理，实现粗铅的高效提纯，以防止铅的损失

《Process Safety and Environmental Protection》：Efficient purification of crude lead to prevent lead loss based on Pb-Cu interface properties and phase separation under supergravity field

铅铜分离机制及超重力场优化研究。基于Pb-Cu界面性质和超重力场相分离理论，提出铜含量0.5-4wt.%粗铅的高效脱铜方法，通过调控温度范围（330-800℃）实现Cu相选择性沉淀，结合超重力场处理使铅液含铜量降至0.0718wt.%，铜去除率达99.9%以上，建立分离温度与铜含量、铅损失量的定量关系模型，为不同铜含量粗铅的工艺优化提供理论依据。

　　

向莉|高金涛|西兰|史安军|郭占成

北京科技大学先进冶金国家重点实验室，中国北京 100083

摘要

粗铅是一种含有大量重金属的危险物质。然而，由于铜去除工艺的设备较为落后，导致铅损失严重。本研究提出了一种基于铅-铜界面特性和超重力场下相分离的新方法，用于高效净化粗铅以防止铅损失。研究了粗铅中铜含量对铜相沉淀温度范围的影响，发现当铜含量从0.5%增加到4%时，铜相的沉淀温度范围从400-330℃扩大到800-330℃。随后，在330℃的温度下通过超重力分离实现了粗铅的高效净化，使铅液中的铜含量降至0.0718%，铜相的去除率超过99.9%。为了减少铅损失，研究了铅-铜界面特性和分离过程模型，结果表明在超重力场中提高温度可以降低铅液在铜相表面的高度。最后，研究了铅-铜的分离行为，揭示了粗铅中铜含量与铅损失及分离温度之间的定量关系。根据以上结果，为不同铜含量的粗铅设计了相应的铜去除工艺路线。

引言

硫化铅精矿通常是一种多金属共生矿[Naayak等人，2022年]，直接冶炼后得到的粗铅中含有大量的铜和其他重金属[Kong等人，2014年；Zhang等人，2018年]。在粗铅火法精炼过程中首先去除铜，但目前落后的铜去除设备和工艺导致铅损失严重[Bellemans等人，2018年；Nowińska和Adamczyk，2023年]。因此，明确铅-铜分离机制并优化粗铅脱铜工艺是目前面临的主要问题。

粗铅脱铜的原理是熔化和硫化，使铜从粗铅中沉淀并浮到铅液表面，形成铜渣[Yang等人，2016年；Guo等人，2019年；Shishin等人，2020年]。目前主要采用人工或机械撇渣方法去除铜渣。人工撇渣容易增加劳动强度并导致铅液被卷入；机械撇渣主要使用桶式装置，可以过滤掉部分铅液，但无法去除其中夹带的铅滴（约70%的重量）[Yazawa和Hino，1993年]。为了减少铜渣中夹带的铅量，国内企业开发了多种新型撇渣设备。玉光集团开发了一种螺旋撇渣机，但渣料会不断远离熔池，导致铜渣中的铅温度降低，使得铅-铜分离变得困难。株洲冶炼集团开发了一种漏斗式撇渣机，内部装有机械过滤装置，但仅具有“表面力”作用，分离铅滴的效果有限。因此，从铅液中有效分离铜相是当前研究的重点。

在真空蒸馏[Yang等人，2019年；Yang等人，2023年；Zeng等人，2024年]、电磁脉冲[Huang等人，2020年；Zhang等人，2023年]、热挥发[Gu等人，2021年]等领域进行了大量关于铅-铜及其他金属分离的研究，分离效率分别可达约95%、85%和90%，但这些技术不适用于粗铅精炼的小规模处理场景。超重力技术是一种改进复杂系统中相分离的优良方法，已在化学工程过程中成功应用于异相分离[Ren等人，2022年]。近年来，也有报道利用超重力技术在高温下进行相分离，用于从有色金属冶炼渣和熔渣中提取金属滴和有价值元素[Wang等人，2023年；Li等人，2023年]。因此，将超重力技术应用于粗铅净化是完全可行的。尽管已有研究报道了超重力技术在铅-铜系统分离中的应用，但以往的研究仅针对单一铜含量的粗铅系统。仅依靠实验结果来描述超重力对铅-铜分离的影响存在片面性[Yang等人，2016年；Li等人，2025年]。因此，进一步研究粗铅中铜含量对铅-铜分离的影响至关重要。从铅液中去除铜相实际上是一个固液分离过程，固液接触界面特性是影响两相最终分离的关键因素[Shigematsu等人，1996年；Chau等人，2009年；Palafox-Hernandez等人，2011年；Liu和Han，2021年]。因此，研究铅-铜分离过程的界面特性也是必要的。

本文提出了一种基于铅-铜界面特性和超重力场下相分离的新方法，用于高效净化粗铅以防止铅损失。首先计算了不同铜含量下粗铅的相平衡，然后研究了粗铅中的铜结晶行为，并在超重力场下进行了高效净化。为了减少铅损失，研究了铅-铜界面特性和分离过程模型，进一步探讨了铅-铜的分离行为。最后，为不同铜含量的粗铅设计了相应的铜去除工艺路线。

材料

如表1所示，不同冶炼厂生产的粗铅成分差异较大，这取决于不同的原料和冶炼方法。铜是粗铅中最丰富的杂质元素，首先在火法精炼过程中被去除，其他杂质则在后续精炼过程中逐步去除。因此，为了避免其他杂质的干扰，本研究选择了铜含量分别为0.5%、1%、2%和3%的粗铅。

不同铜含量下粗铅的相平衡计算结果

使用FactSage 8.3软件分析了不同铜含量下的粗铅相平衡，结果如图2所示。从图2(a)可以看出，随着粗铅中铜含量的增加（从0.5%增加到4%），铜相开始沉淀的温度从524℃升高到827℃。此外，在相同温度范围内，高温下沉淀的铜相量增加。

结论

本文提出了一种基于铅-铜界面特性和超重力场下相分离的新方法，用于高效净化粗铅以防止铅损失。主要研究结果如下：

• (1)
  铜在粗铅中的结晶行为表明，当铜含量从0.5%增加到4%时，铜相的沉淀温度范围从400-330℃扩大到800-330℃。然而，不同粗铅中铜相的沉淀速率存在差异

作者贡献声明

史安军：撰写、审稿与编辑。郭占成：监督、资源获取与资金申请。高金涛：撰写、审稿与编辑、概念构思。西兰：撰写、审稿与编辑、资金申请。向莉：撰写初稿、数据可视化、验证、方法学设计及数据分析。

利益冲突声明

作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。

致谢

本研究得到了国家自然科学基金（项目编号52174275、52304342）、北京市自然科学基金（项目编号2252045）和中国宝武低碳冶金创新基金（BWLCF202311）的支持。