從瓦斯灰中堿浸鋅及其動(dòng)力學(xué)研究

毛 磊，楊寶滋，朱小濤，李肖肖

（冶金礦產(chǎn)資源高效利用與造塊湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢科技大學(xué) 化學(xué)工程與技術(shù)學(xué)院，湖北 武漢 430081）

高爐冶煉過(guò)程中，隨高爐煤氣帶出的原料粉塵及高溫區(qū)化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的微粒經(jīng)干法或濕法除塵后形成大量瓦斯灰（泥）。瓦斯灰（泥）的主要成分是氧化鐵和碳，也含有少量鋅、鉍、銦和鉛等有色金屬元素［1-3］。從瓦斯灰（泥）中提取鋅可以降低瓦斯灰（泥）返回時(shí)對(duì)高爐冶煉的危害［3］。從瓦斯灰（泥）中回收鋅的方法有濕法和火法?；鸱ǎ?-5］的特點(diǎn)是鋅回收率高，但設(shè)備投資大。濕法［6-9］一般采用酸、堿或氨鹽溶液浸出分離鋅，但鋅浸出率總體較低。因此，開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)便、靈活、高效、低成本的冶金技術(shù)有重要意義［10-11］。針對(duì)湖南某冶煉廠的高爐瓦斯灰，研究了用堿浸出鋅，并分析了堿浸過(guò)程動(dòng)力學(xué)。

1 鋅浸出過(guò)程熱力學(xué)分析

298K條件下反應(yīng)吉布斯自由能ΔG＝-365．40 kJ／mol。

2 試驗(yàn)部分

2．1 試驗(yàn)原料及主要儀器

試驗(yàn)所用瓦斯灰取自湖南湘潭某冶煉廠，其中鋅品位為0．9%［14］。

主要儀器有JJ-1精密電動(dòng)攪拌器，TG16-Ⅱ智能臺(tái)式高速離心機(jī)。

2．2 試驗(yàn)方法

將瓦斯灰和一定濃度氫氧化鈉溶液按一定質(zhì)量體積配比，在一定溫度下混合攪拌一定時(shí)間，然后用臺(tái)式離心機(jī)在5 000r／min轉(zhuǎn)速下離心分離10 min，上清液定容分析鋅質(zhì)量濃度，計(jì)算鋅浸出率。

2．3 鋅的測(cè)定

浸出液中的鋅采用EDTA滴定法測(cè)定［14］。

3 試驗(yàn)結(jié)果及討論

3．1 攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響

在NaOH濃度6mol／L、浸出溫度80℃、反應(yīng)時(shí)間60min、固液質(zhì)量體積比1∶10條件下，攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。可以看出，在一定范圍內(nèi)，隨攪拌速度升高，鋅浸出率提高。攪拌速度增大，液膜內(nèi)傳質(zhì)擴(kuò)散速度增大，液膜阻力降低，有利于鋅的浸出；攪拌速度達(dá)600 r／min后，再繼續(xù)提高攪拌速度，固體表面擴(kuò)散層和固體與飽和液層之間附著力的破壞作用影響較小，對(duì)浸出反應(yīng)影響較?。核?，攪拌速度以控制在600r／min以?xún)?nèi)為宜。

圖1 攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響

3．2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響

在NaOH濃度6mol／L、浸出溫度80℃、攪拌速度600r／min、固液質(zhì)量體積比1∶10條件下，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。可以看出，反應(yīng)60min，浸出反應(yīng)接近平衡，再延長(zhǎng)浸出時(shí)間對(duì)鋅浸出率的提高影響不大。試驗(yàn)確定適宜的堿浸時(shí)間為60min。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響

3．3 氫氧化鈉濃度對(duì)鋅浸出率的影響

反應(yīng)時(shí)間60min，浸出溫度80℃，攪拌速度600r／min，固液質(zhì)量體積比1∶10，氫氧化鈉濃度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯?，隨氫氧化鈉濃度升高，鋅浸出率升高。但氫氧化鈉濃度較高時(shí)，溶液黏度增大，離子擴(kuò)散速度降低，浸出效果減弱［15］，所以氫氧化鈉濃度不宜超過(guò)6mol／L。

圖3 氫氧化鈉濃度對(duì)鋅浸出率的影響

3．4 浸出溫度對(duì)鋅浸出率的影響

氫氧化鈉濃度6mol／L，反應(yīng)時(shí)間60min，攪拌速度600r／min，固液質(zhì)量體積比1∶10，溫度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 浸出溫度對(duì)鋅浸出率的影響

浸出溫度升高，一方面擴(kuò)散系數(shù)增大，溶解速度加快；另一方面使反應(yīng)活性增大，從而加快化學(xué)反應(yīng)速率：故升高溫度可以加速浸出過(guò)程。從圖4看出：當(dāng)溫度由20℃升高到80℃，鋅浸出率由39%升高到63%；但溫度繼續(xù)升高，對(duì)設(shè)備要求提高，生產(chǎn)成本增加，操作更加困難。所以，浸出溫度以不超過(guò)80℃為宜。

4 堿浸過(guò)程動(dòng)力學(xué)

從瓦斯灰中浸出鋅的過(guò)程是浸出劑氫氧化鈉與固相瓦斯灰之間的復(fù)雜多相反應(yīng)過(guò)程，動(dòng)力學(xué)分析選用2種流固相非催化反應(yīng)模型：縮芯模型和整體反應(yīng)模型［16-17］。圖5為不同溫度下鋅浸出率隨時(shí)間的變化關(guān)系，NaOH濃度為5mol／L，攪拌速度為500r／min，固液質(zhì)量體積比為1∶10。

圖5 不同溫度下鋅浸出率隨時(shí)間的變化關(guān)系

4．1 縮芯模型

浸出過(guò)程的縮芯模型可表示為

圖6 縮芯模型

4．2 整體反應(yīng)模型

當(dāng)孔隙擴(kuò)散不可忽略時(shí)，整體反應(yīng)模型可表示為

圖7 整體反應(yīng)模型

比較圖6a、圖7a中各直線(xiàn)斜率所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)模型參數(shù)k′與k′′，整體反應(yīng)模型的線(xiàn)性相關(guān)性較縮芯模型的更高。高爐瓦斯灰顆粒表面有孔隙［18-19］，顆粒內(nèi)的擴(kuò)散速率會(huì)影響整個(gè)浸出過(guò)程；兩種模型所得到的表觀活化能為24．6、36．0 kJ／mol，也表明氫氧化鈉浸出鋅的反應(yīng)為化學(xué)反應(yīng)及擴(kuò)散混合動(dòng)力學(xué)控制［17］。

5 結(jié)論

用氫氧化鈉從瓦斯灰中浸出鋅技術(shù)上是可行的。在NaOH濃度為6mol／L、固液質(zhì)量體積比1∶10、浸出溫度80℃、反應(yīng)時(shí)間60min、攪拌速度600r／min條件下，鋅浸出率為63%，浸出過(guò)程受化學(xué)反應(yīng)與擴(kuò)散混合控制。

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