高鐵鋅焙砂浸出試驗(yàn)研究

郭家林， 石娟寧， 王之宇

1.商洛學(xué)院 化學(xué)工程與現(xiàn)代材料學(xué)院，商洛 726000； 2.陜西省尾礦資源綜合利用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，商洛 726000

1 引言

隨著近年來(lái)我國(guó)工業(yè)制造業(yè)的快速發(fā)展，我國(guó)目前既是世界上最大的鋅生產(chǎn)國(guó)，又是最大的鋅消費(fèi)國(guó)[1]。但國(guó)內(nèi)的鋅精礦消耗量超過(guò)了國(guó)內(nèi)的供應(yīng)能力，仍需大量增加鋅精礦的進(jìn)口量，目前面臨日益嚴(yán)重的鋅資源短缺問(wèn)題[2]。低品位氧化鋅礦和高鐵鋅精礦逐漸成為鋅冶煉行業(yè)的主要原料[3]。提升鋅冶煉的工藝水平，提高鋅資源綜合利用率已尤為重要。提高鋅焙砂中總鋅的浸出率，降低鋅提取的成本，減少環(huán)境污染是目前我國(guó)鋅冶煉企業(yè)普遍關(guān)心的問(wèn)題[4]。浸出液溶劑濃度是影響鋅浸出率和反應(yīng)速率的重要因素，增大溶劑濃度，鋅的浸出率和反應(yīng)速率隨之增大[5]。然而，溶劑濃度增大在增加鋅溶解的同時(shí)也會(huì)引起雜質(zhì)的溶出和經(jīng)濟(jì)成本的增加。彭兵[6]等利用還原焙燒—堿性浸出工藝處理高鐵鋅焙砂，通過(guò)還原焙燒將鐵酸鋅分解為氧化鋅和鐵氧化物，氧化鋅在堿性體系被選擇性浸出，鐵氧化物留在浸出渣中。閆緩[7]等針對(duì)北京某鋅冶煉廠鋅焙砂提出了一種還原焙燒方法，使高鐵鋅焙砂中的鐵酸鋅選擇性分解為氧化鋅和磁性氧化鐵。韓俊偉[8]等通過(guò)還原焙燒將高鐵鋅焙砂中的鐵酸鋅選擇性地分解為氧化鋅和磁鐵礦，再通過(guò)兩段浸出工藝回收鋅，以實(shí)現(xiàn)鋅鐵分離和獲得以磁鐵礦為主的浸出渣。此類方法都存在浸出渣中鋅鐵氧化物鑲嵌的問(wèn)題，使得鋅浸出率無(wú)法進(jìn)一步提高。

陜西某煉鋅廠鋅焙砂中含F(xiàn)e量高(>30%)，企業(yè)為提高Zn浸出率，采用高溫高酸浸出工藝，導(dǎo)致Fe被大量浸出，后續(xù)除鐵作業(yè)復(fù)雜，對(duì)公司正常生產(chǎn)造成影響，經(jīng)多次工藝調(diào)整仍沒(méi)有明顯效果。以該公司的高鐵鋅焙砂為研究對(duì)象，分析采用常規(guī)浸出方法處理鋅焙砂時(shí)鋅和鐵的浸出規(guī)律，在現(xiàn)有浸出工藝和技術(shù)條件的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，使鋅的浸出率滿足條件的同時(shí)降低雜質(zhì)鐵的浸出率。

2 試驗(yàn)原料、試劑、設(shè)備和方法

2.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用鋅焙砂取自陜西鋅業(yè)有限公司，為硫化鋅精礦高溫氧化焙燒所得。對(duì)鋅焙砂進(jìn)行前期處理：取500 g鋅焙砂，用移錐法將試樣混勻，再用堆錐四分法縮分，每袋試樣質(zhì)量為50 g，將稱取好的鋅焙砂放入105 ℃恒溫烘箱內(nèi)烘干3～4 h。鋅焙砂主要化學(xué)成分如表1所示。

表1 鋅焙砂主要化學(xué)成分

鋅焙砂XRD圖譜如圖1所示。由分析結(jié)果可知，鋅焙砂中的物相以氧化鋅、鐵酸鋅和硫酸鉛為主。

圖1 鋅焙砂XRD圖譜

鋅焙砂激光粒度分析儀粒度分析結(jié)果如表2所示。由此可知，鋅焙砂粒徑主要分布在2～160 μm范圍內(nèi)，該范圍內(nèi)體積約為90%。

表2 鋅焙砂粒度分析

2.2 主要試劑及設(shè)備

試驗(yàn)所用主要的試劑為濃硫酸(茂興化工，分析純)。試驗(yàn)所用的主要儀器設(shè)備有：激光粒度分析儀，英國(guó)馬爾文Mstersizer2000；X射線衍射儀，荷蘭帕納科X Pert Powder；原子吸收光譜分析儀，北京東西電子技術(shù)研究所AA-7002A；電動(dòng)攪拌機(jī)，PW20；真空抽濾機(jī)，天津奧特賽恩斯AP-9950；電子天平，賽多利斯CPA224S。

2.3 試驗(yàn)方案

針對(duì)該煉鋅廠存在的實(shí)際問(wèn)題，以現(xiàn)有生產(chǎn)工藝為基礎(chǔ)，對(duì)浸出過(guò)程中的攪拌速度、浸出時(shí)間、浸出溫度和初始酸濃度等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行單因素試驗(yàn)，研究各因素對(duì)Zn和Fe浸出率的影響規(guī)律。具體試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)如下：

(1)攪拌速度對(duì)浸出的影響：在初始酸濃度120 g/L、液固比10：1、浸出溫度60 ℃、浸出時(shí)間90 min條件下，攪拌速度分別300、350、400、450、500、550和600 r/min進(jìn)行試驗(yàn)。

(2)浸出時(shí)間對(duì)浸出的影響：在浸出溫度60 ℃、初始硫酸質(zhì)量濃度120 g/L、液固體積質(zhì)量比10：1、攪拌速度500 r/min條件下，浸出時(shí)間分別取5、10、20、30、60和90 min進(jìn)行試驗(yàn)。

(3)初始酸濃度和浸出溫度對(duì)浸出的影響：在液固體積質(zhì)量比10：1、攪拌速度500 r/min、浸出時(shí)間60 min條件下條件下，初始酸度依次設(shè)定為20、40、80、120和160 g/L，分別在30 ℃、60 ℃和90 ℃的浸出溫度下進(jìn)行試驗(yàn)，以分析不同浸出溫度下初始酸度對(duì)浸出率的影響規(guī)律。

3 結(jié)果與討論

3.1 攪拌速度對(duì)浸出的影響

攪拌速度與Zn和Fe浸出率的關(guān)系曲線如圖2所示。從圖中可以看出，攪拌速度從300 r/min提高到600 r/min，Zn浸出率均變化不大，F(xiàn)e的浸出率呈減小趨勢(shì)。攪拌速度的選擇主要考慮固體物料在浸出過(guò)程中不沉積，有利于減小物料反應(yīng)顆粒邊界層厚度使外擴(kuò)散不成為限制性環(huán)節(jié)即可，攪拌速度太大，會(huì)使得能耗增加、成本加大。而攪拌速度過(guò)小，則可能會(huì)造成攪拌不充分，礦漿中的顆粒發(fā)生沉降[9]。因此，選擇500 r/min為合適的攪拌速度。

圖2 攪拌速度對(duì)Zn和Fe浸出率的影響

3.2 浸出時(shí)間對(duì)浸出的影響

浸出時(shí)間與Zn和Fe浸出率的關(guān)系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，Zn浸出率隨浸出時(shí)間的延長(zhǎng)沒(méi)有顯著變化，F(xiàn)e的浸出率隨浸出時(shí)間的延長(zhǎng)有所減小。浸出時(shí)間大于10 min后，溶液呈淺黃褐色，F(xiàn)e浸出率略有下降，可能是因?yàn)榻鲆褐蠪e2+在空氣中氧化成Fe3+，發(fā)生如下水解沉淀反應(yīng)所致[10]：

圖3 浸出時(shí)間對(duì)Zn和Fe浸出率的影響

Fe2(SO4)3+6H2O=2Fe(OH)3+3H2SO4

(1)

浸出時(shí)間在60～90 min范圍內(nèi)Fe和Zn的浸出率均趨于穩(wěn)定，故選擇最佳浸出時(shí)間為60 min。

3.3 初始硫酸濃度和溫度對(duì)浸出的影響

不同浸出溫度下初始酸濃度對(duì)鋅和鐵的浸出率影響曲線分別如圖4和圖5所示。從圖中可知，硫酸用量不同，溫度對(duì)Zn和Fe浸出的影響程度不同，硫酸不足時(shí)，溫度基本不產(chǎn)生影響，硫酸過(guò)量時(shí)，溫度影響對(duì)Zn和Fe的浸出產(chǎn)生影響，且對(duì)Fe的影響較大。以初始酸濃度120 g/L為例，當(dāng)浸出溫度從60 ℃升高至90 ℃時(shí)，Zn的浸出率增加了1.9%，而Fe的浸出率增加了3.1%。為獲得較高的Zn浸出率和較低Fe浸出率，宜選取60 ℃為最優(yōu)浸出溫度。

圖4 初始酸濃度對(duì)Zn浸出率的影響

圖5 初始酸濃度對(duì)Fe浸出率的影響

硫酸初始濃度對(duì)Zn和Fe的浸出有不同程度的影響。始酸濃度在20～120 g/L范圍內(nèi)時(shí)，Zn的浸出率增幅較大，F(xiàn)e的浸出率增幅相對(duì)較小。當(dāng)浸出溫度60 ℃，初始酸濃度從20 g/L增大至120 g/L時(shí)，Zn的浸出率從12.3%增加至88.5%，F(xiàn)e的浸出率從3.5%增加至10.3%。初始酸濃度超過(guò)120 g/L時(shí)，隨著濃度的增加，Zn的浸出率出現(xiàn)下降趨勢(shì)，F(xiàn)e的浸出率仍有較大幅度增長(zhǎng)。

50 g鋅焙砂中ZnO完全溶解需要消耗的硫酸用量為32 g，這說(shuō)明要使鋅焙砂中Zn的浸出率達(dá)80%以上，所需要的硫酸用量需超過(guò)32 g。而結(jié)果表明，當(dāng)硫酸用量低于30 g時(shí)，硫酸主要被ZnO消耗，只有當(dāng)硫酸用量超過(guò)了ZnO必需的消耗量時(shí)，含鐵礦物才有機(jī)會(huì)與硫酸反應(yīng)。這顯示了ZnO和含鐵礦物對(duì)酸的消耗存在先后順序。

4 結(jié)論

(1)最佳浸出條件為：浸出溫度60 ℃、初始硫酸質(zhì)量濃度120 g/L、液固體積質(zhì)量比10：1、攪拌速度500 r/min、浸出時(shí)間60 min。此時(shí)Zn的浸出率為88.5%，F(xiàn)e的浸出率為10.3%。

(2)硫酸用量不足時(shí)，浸出溫度基本不產(chǎn)生影響，硫酸過(guò)量時(shí)，溫度對(duì)Zn和Fe的浸出均產(chǎn)生影響，對(duì)Fe的影響更大。

(3)初始酸濃度小于120 g/L時(shí)，隨著濃度的增大，Zn的浸出率增幅顯著大于Fe的浸出率增幅。初始酸度超過(guò)120g/L后，隨著硫酸濃度的增加，Zn的浸出率緩慢降低，而Fe的浸出率仍快速增長(zhǎng)。