权利要求
1.高温高压微反应器
湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：原料准备
将含Fe²⁺的湿法冶金浸出液预热至50-100℃;准备pH调节剂;
S2：微反应器连续反应
将预热浸出液、氧化气体与pH调节剂通过精密进料系统，以设定流速比例泵入耐高温高压的气液混合微反应器;
在微通道结构内实现气液固三相毫秒级均匀混合;
S3：后处理
反应浆料经缓冲熟化后固液分离，得净化液与针铁矿滤渣。
2.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，所述步骤S1中，氧化气体为空气、富氧空气或纯氧;pH调节剂为碱金属或碱土金属的氢氧化物、氧化物、碳酸盐中的一种或几种的浆料或溶液，比如：氢氧化钠、氧化钙或碳酸钙浆液。
3.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，所述步骤S2中，反应在以下条件下进行：温度为50-100℃，压力为0.5-5 MPa;通过调节pH调节剂的加入速率，将反应混合物的pH值实时、快速地控制在3.0-4.0的狭窄范围内。
4.根据权利要求3所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，反应温度为70-95℃，压力为0.1-10 MPa，pH为3.0-3.5。
5.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，所述步骤S2中，Fe²⁺被氧化为Fe³⁺并水解为针铁矿α-FeOOH，停留时间为10秒至5分钟。
6.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，所述步骤S2中，氧化气体以微气泡形式分散，氧传质速率使Fe²⁺氧化反应由扩散控制转为动力学控制;
pH调节剂加入速率与在线pH计联动，实现pH瞬时精准调控。
7.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，其特征在于，所述步骤S3中，针铁矿在pH 3.0-3.5的过饱和环境中定向结晶，生成粒度均匀、结晶度>95%的α-FeOOH;
铁渣滤饼含水率<30%，过滤速率较传统工艺提高50%以上。
8.高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁装置，其特征在于，包括：精密进料与控制系统、核心反应单元、后处理单元;其中，
所述精密进料与控制系统包括：浸出液预热单元、氧化气源、pH调节剂储罐与进料单元、高压计量泵、质量流量控制器、自动控制阀、温度/压力
传感器、在线pH计;
所述核心反应单元包括：浸出液入口、气体入口、pH调节剂入口、换热高剪切纳米气泡微反应器、压力调节单元背压阀、耐高温高压的气液混合微反应器、阀门、输送泵、料浆循环处理;
所述后处理单元包括：缓冲罐、固液分离装置。
9.根据权利要求8所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁装置，其特征在于，所述核心反应单元通过并联多个微反应器模块实现产能放大;
所述微反应器模块材质为哈氏合金、钛材、特种不锈钢或内衬防腐材料;
单模块处理量为1-5 m³/h，总容积为传统反应器的1/100-1/500。
10.根据权利要求1所述的高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁装置，其特征在于，所述微通道结构包括T型/Y型混合器、交错锯齿通道、多孔筛板或文丘里管式混合腔;
所述微通道结构使气液接触面积较传统反应器提升2-3个数量级。
说明书
技术领域
[0001]本发明涉及湿法冶金技术领域，尤其涉及高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法与装置。
背景技术
[0002]在湿法冶金工艺中，如
镍、
钴、
铜、
锌等
有色金属的提取，以及
稀土、
锂等
战略金属的回收，通常采用酸浸或碱浸工艺获得含有目标金属及多种杂质离子的浸出液。铁是浸出液中最为常见且含量较高的杂质元素之一。过量的铁离子不仅会影响后续目标金属的萃取、电积等工序的效率与产品质量，其形成的胶体或非晶态沉淀还会导致液固分离困难、管道结垢等问题。
[0003]因此，从浸出液中高效除铁是湿法冶金净化流程中的关键步骤。
[0004]目前，工业上主流的除铁方法是氧化沉淀法，其核心原理是将浸出液中的亚铁离子(Fe2+)氧化为高铁离子(Fe3+)，随后通过调节溶液pH值至适宜范围(通常为2.5-4.0)，使Fe3+水解沉淀。
[0005]传统的沉淀形式包括针铁矿(α-FeOOH)、赤铁矿(α-Fe2O3)或水合氧化铁(FeOOH·nH2O)等，其中，针铁矿因其结晶良好、过滤性能优异而被广泛采用。
[0006]传统工艺通常在大型搅拌反应釜中进行。以某大型湿法冶金企业为例，其除铁工段配置有8台容积为600立方米的加压反应釜。工艺流程为：将预热的浸出液泵入反应釜，通入空气或氧气作为氧化剂，在高温(约90-100℃)和一定压力下(通常为0.3-0.8 MPa)，通过长达8小时的连续搅拌反应，使Fe2+逐步氧化，并伴随缓慢的加碱(如碳酸钙、氧化镁等)过程以中和反应产生的酸并控制pH，最终形成针铁矿沉淀。反应完成后，浆料排出至
浓密机进行固液分离。
[0007]该传统工艺存在以下显著缺陷：
[0008]效率低下，设备庞大：反应依赖于宏观搅拌和气泡的缓慢上升与溶解，气液传质与氧化反应速率慢，导致反应时间长达数小时;为实现大规模处理量，必须使用容积巨大的反应釜群，占地面积大，基建投资高。
[0009]能耗高：维持数百立方米料液长时间处于高温高压状态，热能消耗巨大。搅拌功率也相当可观。
[0010]过程控制困难，产品质量波动大：在大型反应釜中，温度、pH、氧化还原电位(ORP)的均匀性难以保证，容易造成局部过氧化或pH失控，导致生成的铁渣晶型不纯(如形成过滤性差的胶体氢氧化铁或无定形沉淀)，影响过滤速率和渣的稳定性。
[0011]安全隐患：大型压力容器长期在高温、带压、酸性腐蚀环境下运行，对设备材质、制造工艺及安全监控系统要求极高，存在潜在的泄漏、爆炸等安全风险。同时，处理大量高温酸性溶液，现场操作环境恶劣。
[0012]不灵活：难以应对原料浸出液成分或流量的波动，开停车程序复杂，不适合小批量、多品种的柔性生产需求。
[0013]近年来，微反应器技术因其卓越的传质传热效率、精准的过程控制能力、极高的内在安全性以及易于实现连续化和模块化放大等优势，在化工、制药、材料合成等领域取得了革命性进展。微反应器的特征尺度通常在微米到毫米级，其巨大的比表面积使得混合、换热和反应速率可比传统釜式反应器提高数个数量级。在湿法冶金领域，已有研究将微反应器用于萃取、沉淀等单元操作，但将其应用于高温高压条件下的氧化除铁这一核心净化步骤，尚未见成熟、系统的工业化报道。
[0014]中国专利CN201610894930.5公开了一种湿法冶金浸出液中和除铁的固体氧化剂及其应用，虽提出了高效的固体氧化剂，但仍是在传统反应器中应用;另有专利提到了使用文丘里微反应器进行铁渣的洗涤，但并未触及氧化除铁反应本身。
[0015]因此，为了克服现有技术中湿法冶金浸出液除铁工艺存在的设备庞大、反应时间长、能耗高、控制精度差、安全性不足等缺陷，提供一种基于微反应器的高效、安全、连续的浸出液除铁新技术是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
[0016]有鉴于此，本发明提供了高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法与装置，通过强化气液混合与传质、精确控制反应微环境，实现亚铁离子的瞬时氧化与针铁矿的快速定向结晶，将反应时间从数小时缩短至数分钟甚至数十秒，同时大幅缩小反应器体积，提高过程安全性与可控性。
[0017]为解决上述技术问题，本发明采取了如下技术方案：
[0018]高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，包括以下步骤：
[0019]S1：原料准备
[0020]将含Fe2+的湿法冶金浸出液预热至50-100℃;准备氧化气体及pH调节剂;
[0021]S2：微反应器连续反应
[0022]将预热浸出液、氧化气体与pH调节剂通过精密进料系统，以设定流速比例泵入耐高温高压的气液混合微反应器;
[0023]在微通道结构内实现气液固三相毫秒级均匀混合;
[0024]S3：后处理
[0025]反应浆料经缓冲熟化后固液分离，得净化液与针铁矿滤渣。
[0026]优选的，所述步骤S1中，氧化气体为空气、富氧空气或纯氧;pH调节剂为碱金属或碱土金属的氢氧化物、氧化物、碳酸盐中的一种或几种的浆料或溶液，比如：氢氧化钠、氧化钙或碳酸钙浆液。
[0027]优选的，所述步骤S2中，反应在以下条件下进行：温度为50-100℃，压力为0.5-5MPa;通过调节pH调节剂的加入速率，将反应混合物的pH值实时、快速地控制在3.0-4.0的狭窄范围内。
[0028]优选的，反应温度为70-95℃，压力为1-3 MPa，pH为3.0-3.5。
[0029]优选的，所述步骤S2中，Fe2+被氧化为Fe³⁺并水解为针铁矿α-FeOOH，停留时间为10秒至5分钟。
[0030]优选的，所述步骤S2中，氧化气体以微气泡形式分散，氧传质速率使Fe2+氧化反应由扩散控制转为动力学控制;
[0031]pH调节剂加入速率与在线pH计联动，实现pH瞬时精准调控。
[0032]优选的，所述步骤S3中，针铁矿在pH 3.0-3.5的过饱和环境中定向结晶，生成粒度均匀、结晶度>95%的α-FeOOH;
[0033]铁渣滤饼含水率<30%，过滤速率较传统工艺提高50%以上。
[0034]高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁装置，包括：精密进料与控制系统、核心反应单元、后处理单元;其中，
[0035]所述精密进料与控制系统包括：浸出液预热单元、氧化气源、pH调节剂储罐与进料单元、高压计量泵、质量流量控制器、自动控制阀、温度/压力传感器、在线pH计;
[0036]所述核心反应单元包括：浸出液入口、气体入口、pH调节剂入口、换热高剪切纳米气泡微反应器、压力调节单元背压阀、耐高温高压的气液混合微反应器、阀门、输送泵、料浆循环处理;
[0037]所述后处理单元包括：缓冲罐、固液分离装置。
[0038]优选的，所述核心反应单元通过并联多个微反应器模块实现产能放大;
[0039]所述微反应器模块材质为哈氏合金、钛材、特种不锈钢或内衬防腐材料;
[0040]单模块处理量为1-5 m³/h，总容积为传统反应器的1/100-1/500。
[0041]优选的，所述微通道结构包括T型/Y型混合器、交错锯齿通道、多孔筛板或文丘里管式混合腔;
[0042]所述微通道结构使气液接触面积较传统反应器提升2-3个数量级。
[0043]本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
[0044](1)传质效率的几何级数提升：本发明微反应器的微尺度通道使得气液两相接触面积比传统鼓泡搅拌釜高出2-3个数量级;氧气以微小气泡形式分散在液流中，扩散距离极短，氧气的溶解与向Fe2+的传递速率极大加快，使氧化反应从传统的扩散控制转变为近似动力学控制，反应速率常数显著提高;
[0045](2)反应微环境的精确控制：本发明在微反应器内，物料以平推流形式前进，每个流体微元经历几乎相同的温度、压力、pH和浓度历史;在线pH计与快速执行机构联动，可实现pH值的瞬时、精准调节，避免了大型反应釜中的浓度梯度和滞后效应;这种均一、稳定的反应环境是生成纯相、结晶良好针铁矿的关键，避免了杂晶或非晶态副产物的生成;
[0046](3)高温高压优势的充分发挥：本发明提高温度和压力有利于氧化反应动力学和氧气的溶解度;
[0047]传统大型反应釜受限于设备制造和安全规范，压力提升有限且能耗剧增;而微反应器由于其体积微小、比表面积大，耐压能力强、安全性高，可以安全地在更高的压力(如3-5 MPa)下运行，从而进一步强化反应，而所需的总能量输入远低于加热庞大釜体;
[0048](4)本质安全与连续化生产：本发明微反应器持液量极少，通常仅数十毫升至数升，即使发生极端情况如快速放热或压力异常，其内部蕴含的能量也极其有限，不会导致灾难性后果，实现了“本质安全”;
[0049]同时，连续流操作模式便于自动化控制，产品质量稳定，易于与上下游工序集成，实现了湿法冶金全流程的连续化。
[0050](5)显著的效率与经济性对比：本发明与传统8台600立方米反应釜连续反应8小时的工艺相比，可通过并联多个微反应器模块(编号放大)来处理同等规模的流量;假设单模块处理量为1-5 m³/h，则处理与8×600 m³/8h = 600 m³/h相当的流量，仅需约120-600个模块，其总反应器容积不超过数立方米，占地面积缩小数百倍;反应时间从8小时缩短至分钟级，意味着设备容积利用率和时空产率得到革命性提升;能耗方面，仅需对进料流股进行预热，无需维持庞大釜体的热损失，综合能耗可降低50%以上;
[0051]此外，由于铁渣过滤性能改善，可减少洗涤用水和过滤时间，进一步降低运营成本。
[0052](6)灵活性与适应性：本发明模块化设计使得处理能力可通过增减模块数量轻松调整，非常适合矿石来源复杂、浸出液成分多变的湿法冶金项目，也便于矿山现场的模块化部署。
附图说明
[0053]图1为本发明装置的结构示意图;
[0054]图2为本发明方法不同反应时长对沉铁效果的影响;
[0055]图3为本发明方法得到铁渣微观形貌与元素分布表征。
[0056]图中：S1-反应物添加控制模块：包括1-湿法冶金浸出液罐;2-空气模块;3-pH调节剂调浆;S2-微反应器微反应模块：包括7-浸出液入口;8-气体入口;9-pH调节剂入口;10-换热高剪切纳米气泡微反应器;11-背压阀;12-耐高温高压的气液混合微反应器;13-阀门;14-输送泵;15-料浆循环处理;4-输送泵;5-流量计;6-控制阀门;S3-产物收集模块：包括16-温度压力控制系统;17-反应浆料缓冲罐;18-固液分离装置。
具体实施方式
[0057]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0058]本发明公开了高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法，包括以下步骤：
[0059]S1：原料准备
[0060]将含Fe²⁺的湿法冶金浸出液预热至50-100℃;准备氧化气体及pH调节剂;
[0061]S2：微反应器连续反应
[0062]将预热浸出液、氧化气体与pH调节剂通过精密进料系统，以设定流速比例泵入耐高温高压的气液混合微反应器;
[0063]在微通道结构内实现气液固三相毫秒级均匀混合;
[0064]S3：后处理
[0065]反应浆料经缓冲熟化后固液分离，得净化液与针铁矿滤渣。
[0066]步骤S1中，氧化气体为空气、富氧空气或纯氧;pH调节剂为碱金属或碱土金属的氢氧化物、氧化物、碳酸盐中的一种或几种的浆料或溶液，比如：氢氧化钠、氧化钙或碳酸钙浆液。
[0067]步骤S2中，反应在以下条件下进行：温度为50-100℃，压力为0.5-5 MPa;通过调节pH调节剂的加入速率，将反应混合物的pH值实时、快速地控制在3.0-4.0的狭窄范围内。
[0068]反应温度为70-95℃，压力为1-3 MPa，pH为3.0-3.5。
[0069]步骤S2中，Fe2+被氧化为Fe3+并水解为针铁矿α-FeOOH，停留时间为10秒至5分钟。
[0070]步骤S2中，氧化气体以微气泡形式分散，氧传质速率使Fe2+氧化反应由扩散控制转为动力学控制;
[0071]pH调节剂加入速率与在线pH计联动，实现pH瞬时精准调控。
[0072]步骤S3中，针铁矿在pH 3.0-3.5的过饱和环境中定向结晶，生成粒度均匀、结晶度>95%的α-FeOOH;
[0073]铁渣滤饼含水率<30%，过滤速率较传统工艺提高50%以上。
[0074]本发明还公开了高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁装置，包括：精密进料与控制系统、核心反应单元、后处理单元;其中，
[0075]精密进料与控制系统包括：浸出液预热单元、氧化气源、pH调节剂储罐与进料单元、高压计量泵、质量流量控制器、自动控制阀、温度/压力传感器、在线pH计;
[0076]核心反应单元包括：浸出液入口、气体入口、pH调节剂入口、换热高剪切纳米气泡微反应器、压力调节单元背压阀、耐高温高压的气液混合微反应器、阀门、输送泵、料浆循环处理;
[0077]后处理单元包括：缓冲罐、固液分离装置。
[0078]实施例1：高浓度铁锌浸出液处理
[0079]处理锌焙砂浸出液(成分：Zn 60 g/L, Fe2+ 30 g/L, pH=0.8)预热至90℃，与纯氧(压力3.0 MPa)及15%石灰乳(Ca(OH)2)按100:6:4流速比(浸出液5.0 m3/h，纯氧0.3 Nm3/h，石灰乳200 L/h)泵入PTFE内衬Y型微混合器(通道宽200 μm，混合腔体积0.5 mL);
[0080]通过高频pH传感器(响应时间<0.1秒)联动伺服电机调控石灰乳流量，pH实时稳定于3.5±0.1，停留时间10秒(权1最短限值);
[0081]出口浆料直接进入真空带式
过滤机，净化液铁浓度0.09 g/L，锌损失率0.1%。XRD谱图显示纯相针铁矿(α-FeOOH)(无赤铁矿或纤铁矿特征峰)，滤饼含水率25%，过滤速率4.1t/(m2·h)(传统工艺0.9 t/(m2·h)，提升6%);
[0082]单模块处理量5 m3/h，持液量5L，反应温升<2℃(热累积速率0.1℃/s)，通过ATEX防爆认证。
[0083]实施例2：铜浸出液处理
[0084]取
铜冶炼厂浸出液(成分：Cu 12 g/L, Fe2+ 20 g/L, pH=1.5)经板式换热器预热至85±1℃，与微反应器产生的微纳米富氧空气气泡(氧浓度50%，经压缩机增压)及10%NaOH溶液三股物流通过高压计量泵按流速比100:5:1(浸出液2.0 m3/h，富氧空气0.1 Nm3/h，NaOH溶液20 L/h)同步输入钛材T型微反应器(持液量8L，内部为深宽比3:1的锯齿微通道，单通道截面积2 mm2);
[0085]在压力1.5 MPa下，通过在线pH电极(采样频率10 Hz)联动PID控制器动态调节NaOH流量，将反应区pH稳定在3.0±0.05;
[0086]物料在平推流状态下经45秒完成Fe2+氧化及针铁矿成核生长，出口浆料进入1 m3缓冲罐(95℃温和搅拌5分钟促进晶体熟化)，最终经板框压滤机过滤。
[0087]结果显示：净化液总铁浓度0.08 g/L(去除率99.6%)，铜损失率0.3%;XRD谱图显示单一α-FeOOH相(结晶度98%，JCPDS卡号29-0713)，SEM观测到均一针状晶体(长径比10-15:1)。铁渣滤饼含水率28%，过滤速率达3.2 t/(m2·h)(传统工艺为1.0 t/(m2·h))，洗涤耗水减少40%。
[0088]实施例3：稀土浸出液处理
[0089]处理
离子型稀土矿浸出液(成分：REO 8 g/L, Fe2+ 8 g/L, Al3+ 5 g/L, pH=2.1)，预热至70℃后与纯氧(压力2.8 MPa)及10%氧化镁浆液共同进料至并联的3个哈氏合金C276多孔筛板微反应器(单模块尺寸Φ50×300 mm，筛板孔径100 μm，孔隙率30%，总容积15L);
[0090]通过质量流量控制器调节氧化镁流量，使pH精确维持在3.2±0.1，停留时间120秒。出口浆料直接接入卧螺离心机(省去缓冲罐)，净化液铁含量0.06 g/L(Al3+同步去除率82%)，稀土损失<0.4%;
[0091]装置总功率18 kW(仅为传统600m3反应釜群能耗的42%)，微反应器持液量9L(单模块3L)，运行中温度波动<±0.5℃，无安全阀动作记录;
[0092]铁渣激光粒度分析显示D90=8.5μm(传统工艺渣D90>50μm)，Al/Fe分离选择性指数由1.2提升至1.8。
[0093]实施例4：锂电回收液处理
[0094]针对废旧
锂电池硫酸浸出液(成分：Li 3 g/L, Fe2+ 12 g/L, Mn2+6 g/L, pH=1.8)，预热至95℃后与压缩空气(压力2.5 MPa)及15%碳酸钙浆液经三通道高压泵以浸出液:空气:浆液=100:8:3的流速比(主流量3.6 m3/h)输入特种不锈钢316L文丘里管式微反应器(喉部直径5 mm，收缩角30°);
[0095]通过在线ORP-pH双反馈系统动态调节碳酸钙流量，pH严格控制在3.1-3.2，停留时间30秒;
[0096]反应后浆料进入0.5 m³缓冲罐(90℃搅拌8分钟)，经板框压滤得净化液(铁0.07g/L，
锰去除率95%，锂损失率0.2%);
[0097]装置由120个并联微反应模块组成(单模块处理量4 m³/h)，总处理能力480 m³/h(等效传统8台600m³反应釜的产能)，核心反应器总容积仅3.6 m3(为传统釜群容积的0.6%)，蒸汽能耗0.15 t/h(传统工艺0.36 t/h)，综合能耗降低58%，设备占地面积缩小至1/20。
[0098]综上所述，本发明提供的基于高温高压微反应器的湿法冶金浸出液快速氧化除铁方法与装置，通过微尺度工程强化了气液传质与反应过程，实现了对关键工艺参数的精准控制，从而能够以极短的反应时间、极小的设备体积、极高的安全水平，完成了传统大型反应釜耗时数小时才能完成的除铁任务;
[0099]本发明代表了湿法冶金净化技术向高效化、精细化、连续化、本质安全化方向发展的重要突破，具有巨大的工业化应用潜力和经济效益。
[0100]以上所述，仅是本发明较佳实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。
说明书附图(3)
声明：
“高温高压微反应器湿法冶金浸出液氧化除铁方法与装置” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：北方有色网
来源：昆明理工大学
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2026年08月06日 ~ 08日 
