某含鋅粉塵在氨浸體系中的浸出行為研究

楊永斌　蘇歡歡　李　騫　徐　斌　姜　濤

（中南大學(xué)資源加工與生物工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410083）

在常見有色金屬中，鋅的循環(huán)利用情況較樂觀。目前，世界上30%的鋅來源于二次鋅資源。鋅冶煉廠的含鋅粉塵屬于常見二次鋅資源，通常成分相當(dāng)復(fù)雜，主要成分為鋅氧化物ZnO（有的還含有Zn2O），還不同程度含有鐵、銦、砷、銻、錫、銀、鉛、鎘、鉍等金屬。作為一種二次鋅資源，氨配合法制備活性氧化鋅是目前開發(fā)利用其中鋅的常用方法[1-10]。

受含有的多種金屬雜質(zhì)的影響，含鋅粉塵的浸出特性不同于純氧化鋅，但這種影響卻未見報(bào)道。為高效開發(fā)利用此類含鋅粉塵資源，以福建龍巖某含鋅粉塵為對(duì)象，對(duì)其氨浸特性與純氧化鋅的氨浸特性進(jìn)行了比較。

1　試驗(yàn)材料及試劑

1.1　試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用原料為龍巖某煉鋅廠的含鋅粉塵，其主要化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，鋅物相分析結(jié)果見表2。

從表1、表2可以看出，試驗(yàn)用原料含鋅50.83%，主要以氧化鋅形式存在，Cd、Mn、Fe、Ca、Pb等雜質(zhì)含量較高，這些雜質(zhì)將可能給氨法浸鋅帶來不利影響（氧化鋅在NH3-NH4HCO3-H2O體系中溶解的同時(shí)，也會(huì)有部分雜質(zhì)被溶解）。

1.2　試驗(yàn)藥劑

試驗(yàn)用純氧化鋅、碳酸氫銨、氨水、雙氧水、碘化鉀均為分析純?cè)噭?/p>

2　試驗(yàn)設(shè)備、原理及方法

2.1　試驗(yàn)設(shè)備

主要試驗(yàn)設(shè)備有HH-S1S型恒溫水浴鍋、EURO-ST-DS-25型電動(dòng)調(diào)速攪拌器、FA2004型分析天平、ZF-6050型真空干燥箱、PHS-3C型pH計(jì)、PS-6型ICP-AES等。

2.2　試驗(yàn)原理及方法

浸出過程的主反應(yīng)為

稱取20 g原料置于三口燒瓶中，然后倒入配置好的氨水和碳酸氫銨溶液，在恒溫水浴鍋中升溫至設(shè)定溫度，浸出一定時(shí)間后分離浸出液和浸渣，測(cè)定浸出液中鋅等金屬離子的濃度并計(jì)算浸出率。

3　試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1　浸出時(shí)間對(duì)氧化鋅浸出率的影響

浸出時(shí)間對(duì)氧化鋅浸出率影響試驗(yàn)固定NH3與CO32-的濃度比為4∶1，原料浸出試驗(yàn)的總氨濃度為11 mol/L（對(duì)于純氧化鋅的浸出來說，此總氨濃度下的浸出率太高，不利于其浸出率特征的顯現(xiàn)，因此確定純氧化鋅浸出的總氨濃度為9 mol/L，下同），液固比為6∶1，浸出溫度為25℃，攪拌速率為450 r/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖1。

從圖1可以看出，浸出時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響很明顯。對(duì)于純氧化鋅而言，浸出時(shí)間增至20 min，浸出率呈上升趨勢(shì)，浸出平衡時(shí)間為20 min；對(duì)于含鋅粉塵而言，延長(zhǎng)浸出時(shí)間，鋅浸出率也顯著提高，但達(dá)到浸出平衡需要60 min，且其浸出率低于純氧化鋅。

反應(yīng)初期，氧化鋅含量大，浸出劑濃度高，因而反應(yīng)速率大；隨著反應(yīng)的進(jìn)行，反應(yīng)速率逐漸變小，浸出率增幅下降。浸出時(shí)間延長(zhǎng)，氨揮發(fā)量上升，也容易引起雜質(zhì)的溶解。因此，后續(xù)試驗(yàn)固定純氧化鋅的浸出時(shí)間為20 min，含鋅粉塵的浸出時(shí)間為60 min。

造成含鋅粉塵浸出時(shí)間較長(zhǎng)、達(dá)到浸出平衡時(shí)浸出率較低的原因是含鋅粉塵含較多不溶雜質(zhì)，一些雜質(zhì)在堿性條件下易形成沉淀。

3.2　浸出溫度對(duì)浸出率的影響

浸出溫度對(duì)氧化鋅浸出率影響試驗(yàn)固定NH3與CO32-的濃度比為4∶1，原料浸出試驗(yàn)的總氨濃度為11 mol/L，液固比為6∶1，純氧化鋅的浸出時(shí)間為20 min，含鋅粉塵的浸出時(shí)間為60 min，攪拌速率為450 r/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖2。

由圖2可知，總體來說，適當(dāng)提高浸出溫度有利于浸出率的提高，這是因?yàn)闇囟壬?，分子運(yùn)動(dòng)加劇，更多的浸出劑分子與氧化鋅顆粒發(fā)生碰撞，并發(fā)生反應(yīng)，使更多的鋅進(jìn)入溶液，從而提高鋅的浸出率；浸出溫度對(duì)純氧化鋅浸出率的影響不很顯著，但對(duì)含鋅粉塵的影響明顯。

溫度過高會(huì)造成NH3和CO2揮發(fā)，使浸出液中氨濃度與碳酸根離子的濃度降低，也會(huì)降低鋅氨配合物的穩(wěn)定性[11-12]，不利于浸出反應(yīng)的進(jìn)行。因此，確定后續(xù)試驗(yàn)的浸出溫度為30℃。

3.3　液固比對(duì)鋅浸出率的影響

液固比對(duì)氧化鋅浸出率影響試驗(yàn)固定NH3與CO32-的濃度比為4∶1，原料浸出試驗(yàn)的總氨濃度為11 mol/L，純氧化鋅的浸出時(shí)間為20 min，含鋅粉塵的浸出時(shí)間為60 min，浸出溫度為30℃，攪拌速率為450 r/min，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

由圖3可以看出，含鋅粉塵與純氧化鋅的浸出規(guī)律一致，液固比對(duì)鋅的浸出率影響十分顯著，隨著液固比的增大，浸出率開始快速提高，直到液固比為5∶1時(shí)達(dá)到浸出平衡。這是因?yàn)殇\氨配合離子在溶液中有一定的溶解度，液固比小會(huì)限制鋅的浸出。過大的液固比會(huì)導(dǎo)致浸出體系的體積增大，降低單位體積的浸出效率，且會(huì)加大蒸氨的難度。因此，確定后續(xù)試驗(yàn)的液固比為5∶l。

3.4　攪拌速度對(duì)浸出率的影響

攪拌速率對(duì)氧化鋅浸出率影響試驗(yàn)固定NH3與CO32-的濃度比為4∶1，原料浸出試驗(yàn)的總氨濃度為11 mol/L，液固比為5∶l，純氧化鋅的浸出時(shí)間為20 min，含鋅粉塵的浸出時(shí)間為60 min，浸出溫度為30℃，試驗(yàn)結(jié)果見圖4，最佳工藝條件下含鋅粉塵浸出液中主要雜質(zhì)離子的濃度見表3。

從圖4可看出，攪拌速度對(duì)含鋅粉塵與純氧化鋅浸出率影響類似，攪拌速度從300 r/min提高至400 r/min，鋅浸出率均上升，繼續(xù)提高攪拌速度，鋅浸出率維持在高位。

浸出反應(yīng)是在固液相交界面上進(jìn)行的，在被溶解的固體表面上會(huì)形成一層薄的邊界層，該邊界層對(duì)固體的包圍會(huì)影響固體與溶劑的直接接觸，阻礙溶劑離子或分子從外部經(jīng)邊界層向固體表面運(yùn)動(dòng)，也影響溶出的鋅離子向外部擴(kuò)散。因此，加強(qiáng)攪拌可消減邊界層的厚度，促進(jìn)物質(zhì)交換，但這種邊界層不會(huì)完全消除，因而攪拌強(qiáng)度增大到一定程度后，對(duì)溶解速率的增大作用就不再明顯[13]，反而會(huì)加速氨的揮發(fā)。因此，適宜的攪拌速度為400 r/min，純氧化鋅的浸出率高達(dá)99.80%，含鋅粉塵的浸出率達(dá)95.10%。

從表3可看出，含鋅粉塵浸出液中鋅的濃度最大，是浸出液的主要成分，但是浸出液中含有較多的Cd、Pb、Mn、Fe雜質(zhì)，這些雜質(zhì)影響了含鋅粉塵中鋅的浸出，所以含鋅粉塵中鋅的浸出率要低于純氧化鋅的鋅浸出率。

4　結(jié)論

（1）福建龍巖某煉鋅廠的含鋅粉塵鋅含量為50.83%，主要以氧化鋅形式存在，Cd、Mn、Fe、Ca、Pb等雜質(zhì)含量較高，影響了氧化鋅在NH3-NH4HCO3-H2O體系中的溶解。

（2）純氧化鋅在NH3-NH4HCO3-H2O浸出體系的NH3與CO32-濃度比為4∶1，總氨濃度為9 mol/L，液固比為5∶l，攪拌速度為400 r/min，浸出時(shí)間為20 min，浸出溫度為30℃情況下的鋅浸出率高達(dá)99.80%；含鋅粉塵在NH3-NH4HCO3-H2O浸出體系的NH3與CO32-濃度比為4∶1，總氨濃度為11 mol/L，液固比為5∶l，攪拌速度為400 r/min，浸出時(shí)間為60 min，浸出溫度為30℃情況下的鋅浸出率僅為95.10%。

（3）在浸出體系的鋅礦物量較低、總氨濃度更高、浸出時(shí)間更長(zhǎng)的情況下，含鋅粉塵的鋅浸出率仍然較低，表明含鋅粉塵中的硫化鋅、鋅鐵尖晶石等難溶物和其他雜質(zhì)影響了鋅的浸出。