罗劲松1,2，顾智辉1，林晓坦1，邓戈1,2，张德超2，胡一平1,2，向成喜1,2，李存兄1
（1. 昆明理工大学冶金与能源工程学院，云南 昆明 650093；2. 云南铜业股份有限公司西南铜业分公司，云南 昆明 650102）
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①罗劲松，顾智辉，林晓坦，邓戈，张德超，胡一平，向成喜，李存兄. 湿法炼锌溶液中离子交换树脂静态吸附Cu²⁺行为及机理研究[J]. 铜业工程,2024(4):87-96.
②LUO Jinsong，GU Zhihui，LING Xiaotan，DENG Ge，ZHANG Dechao，HU Yiping，XIANG Chengxi，LI Cunxiong. Static adsorption behavior and mechanism of Cu²⁺ by ion exchange resin in zinc hydrometallurgy solution[J]. Copper Engineering, 2024(4):87-96.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.04.010
针对湿法炼锌酸性浸出液中铜的选择性分离困难、有机物污染严重等问题，深入研究了D711离子交换树脂静态吸附溶液中Cu²⁺的分离行为机制及机理。研究结果表明：在料液Cu²⁺质量浓度为6 g/L、H₂SO₄初始摩尔浓度为0.01 mol/L、停留时间为120 min、搅拌转速为350 r/min的条件下，用3 g预处理树脂处理50 mL料液时，其对Cu²⁺的吸附率可达95%左右，D711树脂对Cu²⁺的吸附量约为34 mg/g；以40% H₂SO₄溶液为解吸液，在室温、解吸液搅拌转速为350 r/min的条件下，Cu²⁺的解吸率可达98%左右；D711树脂吸附Cu²⁺的机理是树脂中的官能团与料液中的Cu²⁺发生螯合反应，生成负载物存于树脂中，而树脂中的H⁺则被置换进入吸附后液。
铜作为一种重要的有色金属，是电力电气、建筑工业、交通运输、机械制造、军工业、轻工业、化学工业等行业不可缺少的原材料。中国是世界上最大的精炼铜消费国，但70%的铜资源依赖进口，随着中国综合实力的不断提高，铜资源安全保障能力极为重要。为缓解中国铜资源匮乏的紧张局面，从伴生矿及再生铜资源中回收铜具有重要意义。湿法炼锌所用锌精矿中常伴生0.1%~1.5%的铜，每年锌冶炼系统中伴生的铜资源量达20万t，这部分铜资源的高效回收将显著提升有价金属综合回收率并产生显著经济效益。
离子交换树脂吸附法脱铜技术因具有清洁高效、吸附量大、选择性强等优点，逐渐成为近年研究的热点。曹焕义等设计了亚胺二乙酸螯合树脂回收废水中Cu²⁺的二级吸附工艺，将1~3 g/L的Cu²⁺降至0.5 mg/L以下，同时实现了CuSO₄的回收利用；廖斌等采用中和沉淀-树脂吸附的工艺回收高铁低铜废液中的铜，发现该工艺会产生大量的含铜酸性废水，且中和段铜损失量较大，铜综合回收效率仅为78%。马高峰等使用螯合树脂去除钼酸铵生产过程酸性废水中的铜和钼，铜的去除率可达99%，有效提升了企业的经济效益。王玉华等采用自制的PS-AMP树脂开展了从钴电解液中深度脱除铜的动态吸附研究，采用Thomas模型描述了铜吸附浓度与时间的变化规律。综上所述，离子交换树脂脱铜工艺不仅分离效率高，而且经济适用，非常适合用于溶液中铜的脱除。但是，目前关于采用离子交换法从湿法炼锌溶液中脱铜的研究还处于工艺参数优化阶段，对于吸附反应机理及控制条件行为优化方面鲜有报道。因此，本文以螯合树脂为吸附剂，开展了湿法炼锌溶液中Cu²⁺的吸附机理及行为规律研究，采用静态吸附-解吸模式，考察了温度、初始酸度、初始Cu²⁺浓度等条件对吸附-解吸过程的影响规律，采用红外光谱及XPS等分析检测技术，对树脂吸附-解吸过程主要官能团的演化进行了分析，进一步阐明了Cu²⁺与主要官能团的结合机理及吸附规律，为湿法炼锌含铜溶液中铜的分离回收提供了理论依据和技术支撑。
图1 料液初始H₂SO₄浓度对（a）树脂吸附量Qₑ和（b）吸附前后pH的影响
图2 停留时间对树脂吸附量Qₑ的影响
图3 料液初始Cu²⁺浓度对吸附量Qₑ及吸附效率E的影响
图5 树脂用量对树脂吸附量Qₑ和吸附率E的影响
图6 解吸温度对解析效率的影响
图7 解吸时间对解析率的影响
图8 解吸液H₂SO₄浓度对解析率的影响
图9 线性拟合结果
图10 吸附前后树脂的红外光谱分析
图11 D711树脂吸附Cu²⁺的XPS谱图分析：（a）全谱图；（b）吸附前N 1s窄谱图；（c）吸附后N 1s窄谱图
图12 D711树脂表层SEM-EDS图：（a）吸附前；（b）吸附后
1）在料液Cu²⁺质量浓度为6 g/L、初始H₂SO₄摩尔浓度为0.01 mol/L、停留时间为120 min、搅拌转速为350 r/min的条件下，用3 g经预处理的D711树脂处理50 mL料液时，其对Cu²⁺的吸附效率可达95%左右，对Cu²⁺的吸附量约为34 mg/g。料液酸度、初始Cu²⁺浓度、树脂用量等条件对吸附过程影响较大。
4）D711树脂吸附Cu²⁺的过程为化学吸附，在酸性介质中，吸附后树脂的主体骨架不会被破坏，树脂整体结构完整。
通信作者：李存兄，教授，博士生导师。中国共产党云南省第十一次代表大会党代表。入选中央组织部西部之光“访问学者”、云南省万人计划青年拔尖人才等。长期扎根于冶金工程专业教学和科研第一线，先后荣获“霍英东青年教师奖”“教学名师”等荣誉称号；紧密结合国家和地方的重大战略需求，长期从事复杂有色金属资源清洁高效利用及冶金危废减量化、资源化利用方面创新性关键核心技术研发工作，承担了国家级、省部级、产学研合作各类科研项目50余项，获授权发明专利30余件。开发了铜铅锌冶炼渣尘非常规强化提取及清洁利用技术、危废砷渣减量化及产品化技术、水热赤铁矿矿化沉铁技术、复杂锌资源加压酸浸及伴生元素深度回收技术、镓铟锗二次资源加压强化浸出及综合回收技术，上述具有自主知识产权新技术的产业化应用解决了绿色清洁冶金领域的部分关键技术难题，为企业创造利润总额15亿元以上，为行业技术进步做出了积极的贡献。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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