高炉烟尘中锌的浸出动力学研究*

姜 艳，孙丽达，李自静，朱坤红，孙光群

（红河学院理学院，云南蒙自661100）

高炉烟尘中锌的浸出动力学研究*

姜 艳，孙丽达，李自静，朱坤红，孙光群

（红河学院理学院，云南蒙自661100）

采用酸浸法回收高炉炼铁烟尘中的锌，研究了硫酸浓度和浸出温度对锌浸出速率的影响，并分析了锌的浸出动力学。结果表明，其浸出过程动力学方程遵从“未反应核缩减”模型，浸出动力学方程为1-2/3R-（1-R）2/3= kt，其浸出反应活化能为12.7 kJ/mol，浸出过程为内扩散过程控制，表观反应级数为0.94817。提高反应温度和硫酸浓度，均能加速锌的浸出，提高锌的浸出率。

高炉烟尘；锌；浸出；动力学

中国的锌储量和锌产量一直居世界首位［1］。但是，随着冶金工业的发展，锌矿资源日益缺乏，所以锌资源的开发利用尤为重要。在高炉炼铁和废钢再生冶炼过程中，铁精矿和钢铁镀锌层中的锌会以气态挥发，随烟气进入收尘系统被收集下来［2］。由于部分企业会将烟尘废料低价出售，没有实现资源循环利用以及将自身资源优势转化成经济优势［3］。因此对高炉炼铁烟尘中锌的浸出动力学特征进行研究，可为实现二次资源中锌的资源化利用提供理论依据。

1 实验原料和方法

1.1 实验原料

实验所用原料来自某冶炼厂的高炉炼铁烟尘，其主要化学成分见表1。

表1 高炉烟尘的主要化学成分 %

实验原料经XRD物相分析表明，锌主要是以氧化锌和铁酸锌的形式存在，铁主要是以赤铁矿、磁铁矿的形式存在。为满足动力学研究需要，将实验所用烟尘在100℃干燥5 h，待其冷却后进行球磨，最后过筛使粒度＜75 μm待用。

1.2 实验方法

按液固比为8 mL/g取适量的硫酸溶液倒入250 mL烧杯中，并置于恒温磁力搅拌器上升温至设定温度，加入一定量的烟尘，在设定的温度和时间下进行浸出反应，调整pH，进行真空抽滤，收集滤液。然后采用EDTA络合滴定法分析，并计算出锌的浸出率。

2 浸出动力学分析

高炉炼铁烟尘的硫酸浸出属固-液多相反应，多相反应的速度主要由化学反应或反应物扩散决定。当以化学反应为控制步骤时，称反应处于化学控制；当以扩散为控制步骤时，称多相反应为扩散控制，扩散控制又分为液膜扩散（外扩散）控制和固膜扩散（内扩散）控制［4］。

由上面的分析可知：如果反应受化学反应控制，反应速率遵循以下方程［5］：

式中：R为锌的浸出率；k为化学反应速度常数；t为反应时间。

如果固体层的扩散是整个反应速率的控制步骤，反应速率遵循以下方程［5］：

式中：R为锌的浸出率；k为扩散速度常数；t为反应时间。

3 实验结果与讨论

3.1 温度的影响

在液固比为8 mL/g，硫酸质量浓度为150 g/L，温度分别为60、70、80、90℃的条件下进行浸出，所得Zn的浸出率R与时间t的关系见表2。

表2 不同温度条件下锌浸出率随时间的变化

由表2可知，随着浸出温度的升高，Zn的浸出率明显增大。当温度控制在90℃时，锌的浸出率达到98.13%。这主要是因为，提高反应温度会相应地提高浸出反应速度，同时温度升高，溶液的黏度下降，这有利于反应试剂及产物的扩散［6］。

3.1.1 锌浸出动力学方程

根据表2中的数据，将不同温度下所得锌浸出率R对应浸出时间t，分别计算各1-（1-R）1/3值和1-2/3R-（1-R）2/3值，并作出1-（1-R）1/3—t关系图和1-2/3R-（1-R）2/3—t关系图，结果如图1和图2所示。

图1 不同温度下时间与1-（1-R）1/3的关系曲线

由图1和图2对比可见，图2中各浸出温度下1-2/3R-（1-R）2/3与时间t呈现较好的线性关系，且经过原点，表明在同一温度下k值不变，即k只为温度的函数。这符合浸出过程综合反应速率常数k在一定温度下是常数，锌浸出过程符合 “未反应核缩减”模型，反应受扩散控制［5］。

图2 不同温度下时间与1-2/3R-（1-R）2/3的关系曲线

3.1.2 锌浸出表观活化能

用线性回归由图2可求出每条直线的斜率即为反应速率常数k，所得数据列于表3。

表3 不同温度下锌浸出的速率常数

根据Arrhenius定理［7］：ln k=ln A-E/（RT）

式中：A为频率因数；E为反应的表观活化能；R为气体常数。

以ln k对1/T作图，可以得到一条直线，该直线的斜率k′为：k′=-E/R，由此可以计算出表观活化能：E=-Rk′。

以ln k对1/T作Arrhenius线性拟合图，见图3。

由图3可计算出表观活化能E=12.7 kJ/mol。由

浸出动力学理论可知［8］：当表观活化能在8～20 kJ/mol时，反应处在固膜（内）扩散控制区，即浸出速率是由最慢的扩散速率决定。由此可以确定，硫酸浸出高炉炼铁烟尘中的锌的控制步骤为内扩散控制。

3.2 硫酸浓度的影响

在液固比为8 mg/L，温度为90℃，硫酸质量浓度为110、130、150、170 g/L的条件下进行浸出，所得Zn的浸出率R与时间t的关系见表4。

表4 不同硫酸浓度条件下锌浸出率随时间的变化

由表4可知，随着硫酸浓度的升高，烟尘中的锌的浸出率呈增大趋势。当硫酸质量浓度控制在170 g/L时，锌的浸出率达到99.19%。因为随着硫酸浓度的增加，反应溶液的黏度会相应地增加，这样反应试剂与反应产物的扩散阻力会增加，这也证明了此反应不受外扩散控制［6］。

按表4的数据计算各1-2/3R-（1-R）2/3值，将1-2/3R-（1-R）2/3对时间t作图，结果如图4所示。

图4 不同硫酸浓度下时间与1-2/3R-（1-R）2/3的关系曲线

由图4看出，不同硫酸浓度下1-2/3R-（1-R）2/3与时间t呈现较好的线性关系且经过原点，进一步证实了硫酸浸出锌的过程为固膜扩散控制。用线性回归由图4求出各直线的斜率，即为反应速率常数k，所得数据列于表5。

以ln k对ln ρH2SO4作图，结果如图5所示。由图5可知，直线的斜率为0.948 17，此即为浸出反应的表观反应级数。

表5 不同硫酸浓度下锌浸出的速率常数

图5 ln k—ln ρH2SO4关系图

4 结论

1）动力学研究表明，高炉炼铁烟尘中锌的浸出反应属于不生成固体产物层的“未反应核缩减”模型。其浸出过程动力学方程遵从1-2/3R-（1-R）2/3=kt，其浸出反应活化能为12.7 kJ/mol，浸出过程为内扩散过程控制，表观反应级数为0.948 17。2）提高反应温度和硫酸浓度，均能加速Zn的浸出，提高Zn的浸出率。这是因为加速了溶液中的反应过程和传质过程。

［1］ 龙小艺，龙凯.富氧催化酸浸低品位锌灰制取氯化锌工艺研究［J］.无机盐工业，2009，41（6）：57-59.

［2］ 孔明，王晔.中国再生锌工业［J］.有色金属：冶炼部分，2010（5）：51-54.

［3］ 范兴祥，汪云华，吴跃东，等.还原挥发氧化锌烟尘中有价金属分离工艺研究［J］.无机盐工业，2011，43（11）：49-50.

［4］ 齐美富，乐红燕，方小刚.次氧化锌烟尘中镉的硫酸浸出动力学研究［J］.能源与环境，2009（5）：14-15.

［5］ 倪冲，赵燕鹏，阮福辉，等.氨浸法从含砷石灰铁盐渣中回收铜的动力学［J］.中国有色金属学报，2013，23（6）：1769-1774.

［6］ 赵中伟，贾希俊，陈爱良，等.碱浸氧化锌矿中硅的浸出动力学［J］.江西有色金属，2008，22（4）：31-34.

［7］ 杨显万，邱定蕃.湿法冶金［M］.北京：冶金工业出版社，1998：169-174.

［8］ 华一新.冶金过程动力学导论［M］.北京：冶金工业出版社，2004：191-195.

Research on kinetics of acid leaching of zinc from blast furnace dust

Jiang Yan，Sun Lida，Li Zijing，Zhu Kunhong，Sun Guangqun
（College of Science，Honghe University，Mengzi 661100，China）

Zinc from blast furnace dust was recovered by acid leaching method.The effects of sulfuric acid concentration and leaching temperature on leaching rate of zinc were investigated and its kinetics was also analyzed.Results indicated that the zinc leaching of blast furnace dust conformed to the model of‘unreactive atrophic nuclear’type.The leaching kinetics equation was established as 1-2/3R-（1-R）2/3=kt，and the leaching reaction activation energy was determined to be 12.7 kJ/mol. The leaching process was controlled by the internal diffusion procedures.The reaction progression was 0.948 17.Enhancing the concentration of sulfuric acid and the temperature would accelerate the speed of zinc leaching and raise the leaching rate.

：blast furnace dust；zinc；leaching；kinetics

TQ132.41

A

1006-4990（2015）01-0053-03

2014-07-14

姜艳（1980— ），女，讲师，硕士，主要从事有色金属冶金及资源综合利用研究。

云南省应用基础研究项目自筹经费项目（2013FZ123）。

联系方式：jiangyan1626@126.com