某钢厂烟尘灰中锌的酸性浸出试验研究

陈勇，王晖，符剑刚，揭轩敏

(中南大学 化学化工学院，湖南 长沙 410083)

随着钢铁工业的迅速发展，每年都有大量的含锌烟尘灰产生，主要包括高炉瓦斯灰、电炉粉尘、转炉二次粉尘等［1］。烟尘灰作为钢铁工业的副产品，是铁、锰、锌、碳、铜、镍等元素回收的一种次生原料［2］。但由于其有用重金属含量及纯度不高、成分复杂、粒度较细等问题［3］，使得大部分烟尘灰未能得到有效利用，不仅浪费资源，而且污染生态环境。

近年来，国内外对钢铁厂烟尘灰的处理做了大量研究和探索［4-6］，并研究出了一系列的处理工艺回收含锌烟尘中锌及其他有用成分，包括:物理法、湿法和火法［7］。物理法［8］处理方法主要有磁选法和分级法，但处理后锌精矿富集率较低，一般作为湿法浸出或火法冶金的预处理工艺;火法处理［9］能耗高，造成二次污染，得到的产品纯度低，应用价值不高，在我国工业化应用较少，目前应用的火法炼锌按其设备可分为平罐、竖罐、电热法和密闭鼓风炉法等［10］;湿法浸出工艺包括:酸浸、碱浸和氨浸［11］，因其具有能耗小、成本低、污染少且锌冶炼回收率高等优点［12］而得到了长足发展，被广泛的用于工业生产，目前世界锌总产量的80%以上是由湿法炼锌技术产生的［13］。佟志芳等［14］采用氨浸出法处理含锌烟尘，得到锌的浸出率为83.3%;李岩等［15］针对某废镀锌板炼钢烟尘采用中性-酸性两段浸出实验，锌的回收率为90. 36%。本文就是采用湿法浸出工艺，利用一段酸性浸出，鼓气搅拌的方法，更好的实现锌的回收。同时考察了不同条件对锌的浸出率的影响，得出最佳的工艺条件，实现锌的最佳回收利用。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

实验材料为唐山某钢铁厂的烟尘灰，钢铁厂烟尘灰中各种矿物与原生矿物有许多不同，其外形和物化性能都与天然矿物有很大区别:结构致密，化学活性低。对烟尘灰样品进行化学成分分析与锌的物相分析，结果见表1、表2。

由表1 可知，烟尘灰中主要有价金属为铁和锌，锌含量达到15.80%，具有较高的回收价值。由表2可知，烟尘灰中锌主要以氧化锌形式存在，其次是硅酸锌，分布比例分别为67.41%和22.78%，通过酸浸出能够有效回收烟尘灰中的锌。

表1 烟尘灰的主要化学成分Table 1 The main chemical composition of dust ash

表2 锌的化学物相分析结果Table 2 The chemical phase analysis result of zinc

实验采用浓硫酸浸出，硫酸浓度为98%，为分析纯。

3 000 mL 烧杯;恒压滴定漏斗;DJ1C 增力电动搅拌器;HH-1 型恒温水浴锅;PHB-5 pH 酸度计;SHB-Ills 真空抽滤机。

1.2 实验方法

取定量烟尘灰进行湿式球磨，使其粒度达到0.074 mm的占95%以上，加入一定量的水，搅拌均匀，鼓入空气，在室温下(20 ℃)浸出。通过恒压滴定漏斗控制硫酸加入量，搅拌浸出一定时间后，过滤，取矿浆滤液及滤渣分析。矿浆pH 值由酸度计测定。

2 结果与讨论

烟尘灰中锌的主要化合物为氧化锌和硅酸锌，而铁为主要的杂质物质，其主要形式为氧化铁和氧化亚铁，主要发生的化学反应如下:

铁在浸出液中以Fe2+和Fe3+的形式存在，随着反应的进行，Fe3+可以发生水解而除去。

而Fe2+能被空气中的氧气氧化成Fe3+，从而水解除去。

所以，在浸锌过程中鼓入空气，不仅能分散矿浆、加快传质，又能起到将Fe2+氧化成Fe3+的作用。为了提高烟尘灰中锌的浸出率，实验考察了硫酸用量、浸出时间、浸出温度和液固比对其的影响。

2.1 硫酸用量对烟尘灰锌浸出率的影响

在矿浆液固比为2. 0，浸出温度为室温(20 ℃)，浸出时间为2.5 h(硫酸滴加时间0.5 h，搅拌反应2 h)条件下，考察硫酸用量(硫酸与烟尘灰的质量比)对烟尘灰中锌浸出率的影响，结果见图1。

图1 硫酸用量对烟尘灰锌浸出率的影响Fig.1 The effect of the amount of sulfuric acid on leaching yield of zinc from dust ash

由图1 可知，锌和铁的浸出率都随着硫酸用量的增加而增加。在酸性溶液中氧化铁的稳定性大于氧化锌的稳定性［12］，所以在酸性溶液中氧化锌优先浸出。随着硫酸用量的增加，更多的氧化锌和氧化铁与H+反应从而被浸出。当硫酸用量达到45%时，锌和铁的浸出率分别为91.03%和14.42%，继续增大硫酸用量，锌的浸出率增加不大，而铁的浸出率超过20%，对后续除杂及铁的回收有很大的影响，故硫酸用量选用45%。

2.2 浸出温度对烟尘灰锌浸出率的影响

在矿浆液固比为2.0，硫酸用量45%，浸出时间为2.5 h(硫酸滴加时间0.5 h，搅拌反应时间2 h)，反应温度的影响见图2。

图2 反应温度对烟尘灰浸出的影响Fig.2 The effect of leaching temperature on leaching yield of zinc from dust ash

由图2 可知，随着温度的升高，锌的浸出率缓慢的升高，铁的浸出率随之减小。这是因为随着浸出温度的升高，烟尘灰中可溶性物质的溶解度增大，溶剂分子或固体颗粒的运动速度加快，从而使得浸出速度加快，浸出率升高。同时，升高温度促进了铁离子的水解，使铁离子又重新沉淀下去，有利于铁和锌的分离。但升高温度，能耗消耗大，且锌的浸出率增长幅度不大，20 ℃下浸出率就已经达到91%。综合考虑反应应在常温下进行。

2.3 浸出时间对烟尘灰锌浸出率的影响

在矿浆液固比为2.0，硫酸用量45%，浸出温度为室温(20 ℃)，硫酸滴加时间0.5 h 条件下，考察反应时间对烟尘灰浸出的影响，结果见图3。

图3 反应时间对烟尘灰浸出的影响Fig.3 The effect of leaching time on leaching yield of zinc from dust ash

由图3 可知，随着时间的增加，锌浸出率先增大后略有减少，铁的浸出率先增大后减小。随着反应的进行，烟尘灰中金属化合物不断与酸接触反应，锌和铁不断被浸出。同时，由于烟尘灰中锌和铁的几种化合物的稳定性不同，浸出所需时间也不同，随着反应的进行，难浸出的物质慢慢被浸出，2 h 左右基本浸出完全。然而2 h 以后，由于反应生成的硅酸随着时间的延长形成硅溶胶，聚合成胶团，吸附并包裹住部分的Zn2+，导致Zn2+损失在渣相中，使得Zn的浸出率下降。同时随着反应时间的延长，Fe3+开始水解沉淀，使得浸出的Fe3+又沉到渣中，使得铁的浸出率同样下降。故最佳反应时间为2 h。

2.4 液固比对烟尘灰锌浸出率的影响

在硫酸用量为45%，浸出温度为室温(20 ℃)，浸出时间为2.5 h(硫酸滴加时间0.5 h，搅拌反应2 h)的实验条件下，考察液固比对烟尘灰浸出率的影响，结果见图4。

由图4 可知，随着液固比的增大，锌和铁浸出率随之减少。随着液固比的增加，溶液中硫酸的浓度降低，锌的浸出率减小，而铁的水解增加，更多的铁沉入渣中。在液固比为2 时，锌的浸出率达到91.03%，铁的浸出率为14.42%;液固比为3 时，锌和铁的浸出率分别为88.24%和12.35%。综合考虑，选择液固比为2。

图4 液固比对烟尘灰浸出的影响Fig.4 The effect of liquid/solid ratio on leaching yield of zinc from dust ash

3 结论

(1)钢厂烟尘灰中锌的浸出回收率高达91.06%。

(2)最佳工艺条件:硫酸用量为45%，浸出温度为20 ℃，滴加时间为0.5 h，浸出时间为2 h，液固比为2∶1。

(3)本研究利用一段酸性浸出，鼓气搅拌的方法对烟尘灰中锌的回收，为以后有价金属回收提供了技术支撑，对二次资源回收有重要意义。

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