某鋼廠煙塵灰中鋅的酸性浸出試驗(yàn)研究

陳勇，王暉，符劍剛，揭軒敏

(中南大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410083)

隨著鋼鐵工業(yè)的迅速發(fā)展，每年都有大量的含鋅煙塵灰產(chǎn)生，主要包括高爐瓦斯灰、電爐粉塵、轉(zhuǎn)爐二次粉塵等［1］。煙塵灰作為鋼鐵工業(yè)的副產(chǎn)品，是鐵、錳、鋅、碳、銅、鎳等元素回收的一種次生原料［2］。但由于其有用重金屬含量及純度不高、成分復(fù)雜、粒度較細(xì)等問題［3］，使得大部分煙塵灰未能得到有效利用，不僅浪費(fèi)資源，而且污染生態(tài)環(huán)境。

近年來，國(guó)內(nèi)外對(duì)鋼鐵廠煙塵灰的處理做了大量研究和探索［4-6］，并研究出了一系列的處理工藝回收含鋅煙塵中鋅及其他有用成分，包括:物理法、濕法和火法［7］。物理法［8］處理方法主要有磁選法和分級(jí)法，但處理后鋅精礦富集率較低，一般作為濕法浸出或火法冶金的預(yù)處理工藝;火法處理［9］能耗高，造成二次污染，得到的產(chǎn)品純度低，應(yīng)用價(jià)值不高，在我國(guó)工業(yè)化應(yīng)用較少，目前應(yīng)用的火法煉鋅按其設(shè)備可分為平罐、豎罐、電熱法和密閉鼓風(fēng)爐法等［10］;濕法浸出工藝包括:酸浸、堿浸和氨浸［11］，因其具有能耗小、成本低、污染少且鋅冶煉回收率高等優(yōu)點(diǎn)［12］而得到了長(zhǎng)足發(fā)展，被廣泛的用于工業(yè)生產(chǎn)，目前世界鋅總產(chǎn)量的80%以上是由濕法煉鋅技術(shù)產(chǎn)生的［13］。佟志芳等［14］采用氨浸出法處理含鋅煙塵，得到鋅的浸出率為83.3%;李巖等［15］針對(duì)某廢鍍鋅板煉鋼煙塵采用中性-酸性兩段浸出實(shí)驗(yàn)，鋅的回收率為90. 36%。本文就是采用濕法浸出工藝，利用一段酸性浸出，鼓氣攪拌的方法，更好的實(shí)現(xiàn)鋅的回收。同時(shí)考察了不同條件對(duì)鋅的浸出率的影響，得出最佳的工藝條件，實(shí)現(xiàn)鋅的最佳回收利用。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

實(shí)驗(yàn)材料為唐山某鋼鐵廠的煙塵灰，鋼鐵廠煙塵灰中各種礦物與原生礦物有許多不同，其外形和物化性能都與天然礦物有很大區(qū)別:結(jié)構(gòu)致密，化學(xué)活性低。對(duì)煙塵灰樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析與鋅的物相分析，結(jié)果見表1、表2。

由表1 可知，煙塵灰中主要有價(jià)金屬為鐵和鋅，鋅含量達(dá)到15.80%，具有較高的回收價(jià)值。由表2可知，煙塵灰中鋅主要以氧化鋅形式存在，其次是硅酸鋅，分布比例分別為67.41%和22.78%，通過酸浸出能夠有效回收煙塵灰中的鋅。

表1 煙塵灰的主要化學(xué)成分Table 1 The main chemical composition of dust ash

表2 鋅的化學(xué)物相分析結(jié)果Table 2 The chemical phase analysis result of zinc

實(shí)驗(yàn)采用濃硫酸浸出，硫酸濃度為98%，為分析純。

3 000 mL 燒杯;恒壓滴定漏斗;DJ1C 增力電動(dòng)攪拌器;HH-1 型恒溫水浴鍋;PHB-5 pH 酸度計(jì);SHB-Ills 真空抽濾機(jī)。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

取定量煙塵灰進(jìn)行濕式球磨，使其粒度達(dá)到0.074 mm的占95%以上，加入一定量的水，攪拌均勻，鼓入空氣，在室溫下(20 ℃)浸出。通過恒壓滴定漏斗控制硫酸加入量，攪拌浸出一定時(shí)間后，過濾，取礦漿濾液及濾渣分析。礦漿pH 值由酸度計(jì)測(cè)定。

2 結(jié)果與討論

煙塵灰中鋅的主要化合物為氧化鋅和硅酸鋅，而鐵為主要的雜質(zhì)物質(zhì)，其主要形式為氧化鐵和氧化亞鐵，主要發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)如下:

鐵在浸出液中以Fe2+和Fe3+的形式存在，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，F(xiàn)e3+可以發(fā)生水解而除去。

而Fe2+能被空氣中的氧氣氧化成Fe3+，從而水解除去。

所以，在浸鋅過程中鼓入空氣，不僅能分散礦漿、加快傳質(zhì)，又能起到將Fe2+氧化成Fe3+的作用。為了提高煙塵灰中鋅的浸出率，實(shí)驗(yàn)考察了硫酸用量、浸出時(shí)間、浸出溫度和液固比對(duì)其的影響。

2.1 硫酸用量對(duì)煙塵灰鋅浸出率的影響

在礦漿液固比為2. 0，浸出溫度為室溫(20 ℃)，浸出時(shí)間為2.5 h(硫酸滴加時(shí)間0.5 h，攪拌反應(yīng)2 h)條件下，考察硫酸用量(硫酸與煙塵灰的質(zhì)量比)對(duì)煙塵灰中鋅浸出率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1 硫酸用量對(duì)煙塵灰鋅浸出率的影響Fig.1 The effect of the amount of sulfuric acid on leaching yield of zinc from dust ash

由圖1 可知，鋅和鐵的浸出率都隨著硫酸用量的增加而增加。在酸性溶液中氧化鐵的穩(wěn)定性大于氧化鋅的穩(wěn)定性［12］，所以在酸性溶液中氧化鋅優(yōu)先浸出。隨著硫酸用量的增加，更多的氧化鋅和氧化鐵與H+反應(yīng)從而被浸出。當(dāng)硫酸用量達(dá)到45%時(shí)，鋅和鐵的浸出率分別為91.03%和14.42%，繼續(xù)增大硫酸用量，鋅的浸出率增加不大，而鐵的浸出率超過20%，對(duì)后續(xù)除雜及鐵的回收有很大的影響，故硫酸用量選用45%。

2.2 浸出溫度對(duì)煙塵灰鋅浸出率的影響

在礦漿液固比為2.0，硫酸用量45%，浸出時(shí)間為2.5 h(硫酸滴加時(shí)間0.5 h，攪拌反應(yīng)時(shí)間2 h)，反應(yīng)溫度的影響見圖2。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)煙塵灰浸出的影響Fig.2 The effect of leaching temperature on leaching yield of zinc from dust ash

由圖2 可知，隨著溫度的升高，鋅的浸出率緩慢的升高，鐵的浸出率隨之減小。這是因?yàn)殡S著浸出溫度的升高，煙塵灰中可溶性物質(zhì)的溶解度增大，溶劑分子或固體顆粒的運(yùn)動(dòng)速度加快，從而使得浸出速度加快，浸出率升高。同時(shí)，升高溫度促進(jìn)了鐵離子的水解，使鐵離子又重新沉淀下去，有利于鐵和鋅的分離。但升高溫度，能耗消耗大，且鋅的浸出率增長(zhǎng)幅度不大，20 ℃下浸出率就已經(jīng)達(dá)到91%。綜合考慮反應(yīng)應(yīng)在常溫下進(jìn)行。

2.3 浸出時(shí)間對(duì)煙塵灰鋅浸出率的影響

在礦漿液固比為2.0，硫酸用量45%，浸出溫度為室溫(20 ℃)，硫酸滴加時(shí)間0.5 h 條件下，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)煙塵灰浸出的影響，結(jié)果見圖3。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)煙塵灰浸出的影響Fig.3 The effect of leaching time on leaching yield of zinc from dust ash

由圖3 可知，隨著時(shí)間的增加，鋅浸出率先增大后略有減少，鐵的浸出率先增大后減小。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，煙塵灰中金屬化合物不斷與酸接觸反應(yīng)，鋅和鐵不斷被浸出。同時(shí)，由于煙塵灰中鋅和鐵的幾種化合物的穩(wěn)定性不同，浸出所需時(shí)間也不同，隨著反應(yīng)的進(jìn)行，難浸出的物質(zhì)慢慢被浸出，2 h 左右基本浸出完全。然而2 h 以后，由于反應(yīng)生成的硅酸隨著時(shí)間的延長(zhǎng)形成硅溶膠，聚合成膠團(tuán)，吸附并包裹住部分的Zn2+，導(dǎo)致Zn2+損失在渣相中，使得Zn的浸出率下降。同時(shí)隨著反應(yīng)時(shí)間的延長(zhǎng)，F(xiàn)e3+開始水解沉淀，使得浸出的Fe3+又沉到渣中，使得鐵的浸出率同樣下降。故最佳反應(yīng)時(shí)間為2 h。

2.4 液固比對(duì)煙塵灰鋅浸出率的影響

在硫酸用量為45%，浸出溫度為室溫(20 ℃)，浸出時(shí)間為2.5 h(硫酸滴加時(shí)間0.5 h，攪拌反應(yīng)2 h)的實(shí)驗(yàn)條件下，考察液固比對(duì)煙塵灰浸出率的影響，結(jié)果見圖4。

由圖4 可知，隨著液固比的增大，鋅和鐵浸出率隨之減少。隨著液固比的增加，溶液中硫酸的濃度降低，鋅的浸出率減小，而鐵的水解增加，更多的鐵沉入渣中。在液固比為2 時(shí)，鋅的浸出率達(dá)到91.03%，鐵的浸出率為14.42%;液固比為3 時(shí)，鋅和鐵的浸出率分別為88.24%和12.35%。綜合考慮，選擇液固比為2。

圖4 液固比對(duì)煙塵灰浸出的影響Fig.4 The effect of liquid/solid ratio on leaching yield of zinc from dust ash

3 結(jié)論

(1)鋼廠煙塵灰中鋅的浸出回收率高達(dá)91.06%。

(2)最佳工藝條件:硫酸用量為45%，浸出溫度為20 ℃，滴加時(shí)間為0.5 h，浸出時(shí)間為2 h，液固比為2∶1。

(3)本研究利用一段酸性浸出，鼓氣攪拌的方法對(duì)煙塵灰中鋅的回收，為以后有價(jià)金屬回收提供了技術(shù)支撐，對(duì)二次資源回收有重要意義。

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