热镀锌渣中浸渣硫酸浸出锌的工艺研究①

伍永国， 颜文斌， 刘海宇， 李红湘， 陈蓝艳

（1.吉首大学 化学化工学院，湖南 吉首416000； 2.矿物清洁生产与绿色功能材料开发湖南省重点实验室，湖南 吉首416000； 3.化学国家级实验教学示范中心（吉首大学），湖南 吉首416000）

热镀锌渣是钢铁厂钢铁镀锌过程中产生的Zn、O、Fe、Al 的复杂化合物浮渣［1-2］，其中锌含量通常高达94%～96%，是一种回收价值较高的二次锌资源［3］。热镀锌渣经中性浸出后，其中的氧化锌基本浸出，但仍有20%左右的锌未浸出。 一般锌冶炼中浸渣中锌主要为铁酸锌和铝酸锌，常规湿法浸出锌的浸出率低于90%［4-7］。 火法工艺存在能耗高、设备维护耗费大等缺点［8-10］。 故锌冶炼中浸渣通常作为水泥厂制水泥的原料或者堆放处理，造成环境污染和锌资源的浪费［11-12］。 为实现锌渣的综合利用，本文采用硫酸浸出法处理热镀锌渣中浸渣。

1 实 验

1.1 实验原料

热镀锌渣中浸渣取自于湖南怀化某企业，主要化学成分见表1，XRD 物相分析结果见图1。 中浸渣锌含量为17.22%，其他主要元素为铝、铁和钙，主要物相为ZnAl2O4和Fe2O3，锌主要以铝酸锌的形式存在，属于难浸出渣。

表1 中浸渣主要化学成分（质量分数）/%

图1 中浸渣XRD 图谱

1.2 实验仪器与试剂

实验仪器包括JTXJ-PPL 水热压反应釜（东台市吉泰不锈钢制品厂）、X-射线衍射仪（Y-2000 型，丹东奥龙射线仪器公司）、SHB-III 循环水真空泵（郑州长城科工贸有限公司）和手持式X 荧光分析仪（天瑞仪器有限公司）。

实验试剂为98%浓硫酸。

1.3 实验方法

将烘干的浸出渣经研磨后，称取10 g 样品，按一定的液固比加入配置好的硫酸溶液，放置在水热反应釜中，用鼓风干燥箱进行加热，浸出一定时间后取出，抽滤，将滤渣烘干、称重。 采用国家标准法［13］测定浸出渣中的锌含量。

2 结果与讨论

2.1 硫酸浓度对浸出的影响

由于铝酸锌在常温酸性条件下难以溶解，故选择在温度160 ℃、浸出时间4 h、液固比6 ∶1（mL/g）的条件下进行硫酸体积浓度条件实验，结果如图2 所示。由图2 可知，锌浸出率随硫酸浓度增加而升高，硫酸浓度达到12.5%时，浸出率升高明显，硫酸浓度大于15%后，锌浸出率增速减缓。综合考虑，选择合适的硫酸体积浓度为15%。

图2 硫酸浓度对锌浸出率的影响

2.2 反应时间对浸出的影响

硫酸浓度15%，其他条件不变，反应时间对锌浸出的影响如图3 所示。 由图3 可知，随着浸出时间增加，锌浸出率迅速增高，当时间达到6 h 后，随着反应的不断进行，硫酸浓度不断降低，浸出率增长缓慢。 故选择浸出时间为6 h，此时锌浸出率为96.78%。

图3 反应时间对锌浸出率的影响

2.3 温度对浸出的影响

浸出时间6 h，其他条件不变，温度对浸出的影响如图4 所示。 由图4 可知，锌浸出率随温度升高而增高。 温度达到160 ℃后继续升温，锌浸出率增幅不大。故选择浸出温度为160 ℃。

图4 温度对锌浸出率的影响

2.4 液固比对浸出的影响

浸出温度160 ℃，其他条件不变，液固比对浸出的影响如图5 所示。 由图5 可知，随着液固比增加，锌浸出率逐渐升高。 在液固比6 ∶1时，锌浸出率达到96.88%。

2.5 正交实验

根据单因素实验结果，选定在液固比6 ∶1的条件进行3 因素3 水平正交实验，分析浸出时间、温度和硫酸浓度对锌浸出率的影响。 正交实验因素水平见表2，实验结果见表3。

图5 液固比对锌浸出率的影响

表2 L9（33）正交实验表

表3 正交实验结果

由表3 可知，各因素对锌浸出率的影响由小到大依次为：浸出时间＜浸出温度＜硫酸浓度，最优的浸出条件为A3B1C3，即：浸出时间6 h，温度180 ℃，硫酸浓度15%，液固比6 ∶1，该条件下锌浸出率达到99.71%。

2.6 浸出渣分析

对最优条件下所得浸出渣进行元素分析和物相检测，结果分别见表4 和图6。 由表4 和图6 可知，浸出渣中主要元素为Al 和S，主要物相为（H3O）Al3（SO4）2-（OH）6和CaSO4，未见铝酸锌的峰，说明铝酸锌被完全分解，锌被溶出，铝以硫酸盐的形式进入渣中。

表4 浸出渣中主要元素含量（质量分数）/%

图6 浸出渣XRD 图谱

3 结 论

1） 热镀锌渣中浸渣的主要物相为铝酸锌和氧化铁，锌以铝酸锌的形式存在。

2） 在硫酸浓度15%、温度180 ℃、浸出时间6 h、液固比6 ∶1的条件下，锌浸出率达到99.71%，解决了常温下铝酸锌渣浸出率低、过滤难的问题，可实现锌资源的充分利用。