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湿法炼锌中废渣的综合回收利用技术研究

2021-03-08王秋银张国莹贾开程

中国金属通报 2021年21期
关键词:浸出液废渣酸度

王秋银,张国莹,赵 煜,贾开程

(云南省能源研究院有限公司,云南 呈贡 650501)

锌资源是我国重要的矿产资源,已探明的锌储量占世界总储量的18%以上。由于我国对锌资源需求量巨大,已开发产量已经不能保持供需平衡。因此,从含锌废渣中回收利用锌资源具有重要的意义,有利于促进矿产资源的循环利用并推动其可持续发展。含锌废渣对水体、大气和土壤均存在一定程度的污染,其固体废物具有毒性特征。如果不采取有效的措施,则会对生态系统造成危害,威胁人类生命健康[1]。此外,锌矿中常伴生有铜、银和金等贵重金属资源,对其废渣进行回收利用,不仅可以增加金属产量,还可以减少环境污染,因此有必要研发出一种综合回收利用技术,提升资源的利用价值。目前我国主要使用鼓风炉炼锌和湿法炼锌进行锌金属的冶炼,其中湿法炼锌具有低能耗和低污染排放的优点,进而被广泛应用于锌金属的生产工艺中。本文以湿法炼锌中的废渣为研究对象,提出一种综合回收利用技术,科学和规范化地利用含锌废渣,为锌金属冶炼行业的发展提供理论参考。

1 湿法炼锌中废渣的综合回收利用技术

1.1 建立锌浸出渣过程的热动力学模型

为实现湿法炼锌中废渣的综合回收利用,首先建立出渣过程的热动力学模型。该模型主要用于分析废渣浸出过程、各元素的溶解程度和稳定范围,以此确定还原反应的平衡条件。在固定温度的条件下,金属蒸气的挥发性随压强的增加而增加。根据锌的易挥发性,将其从浸出渣中还原成蒸汽,冷凝后得到固态金属,由此实现与其他伴生矿产元素的分离,达到提取锌的目的。使用吉布斯函数确定反应能够自发进行,其计算公式如下:

式(1)中,G和 0G分别表示反应和标准的吉布斯自由能;α为常数;T表示热力学温度;p和0p分别表示反应和标准态气压;m表示化学计量数。当G<0时,认为反应可以自发进行;反之,则不能自发进行。在G值为0时,达到平衡状态。在锌浸出渣中,锌主要表现为硫酸盐和氧化物的形式,而铜等有价金属表现为单质状态,对废渣使用浸取剂进行酸浸,发生还原反应。锌以稳定的离子状态进入溶液,因此,浸出过程即为固体与溶液的多相反应。固相与液相的交界处,存在离子饱和层,溶解的锌离子通过饱和层向外扩散,进一步加剧还原反应。反应的程度可采用浸出速度进行衡量,其计算公式可表示为:

式(2)中,w表示固相浸出量;t表示时间;z表示浸出物质从固相转移到液相的单位质量;λ表示固液交互面积。固液交互作用从表面向中心发展,与反应物浓度和温度等多种因素相关。在中心处出现反应核时停止交互,即完成浸出过程。

1.2 选择废渣浸取剂

从所构建的热动力模型中可以看出,锌浸出渣是一个多相交互反应的分段过程,为提高整个反应的浸出速度,需要对主要的影响因素进行控制。其中,废渣浸取剂的选取对于锌渣中锌的回收利用具有重要影响。本文在酸洗过程中,选择硫酸作为浸出剂。在当酸浓度较低时,锌的溶出几率较高,在溶液中能够具有较高的富集度,而其他有价金属的溶出几率相对较低,因此能够实现锌的分离。一般情况下,浸出液酸度越高,效果越好,但过高的酸度会造成反应时间的延长。因此,需要对浸出过程中的酸度进行控制,同时保证反应终止时的弱酸环境,以便于锌金属浸出[2]。在浸出过程中,不可避免地出现乳化现象,形成有机相影响固相和液相的交互浸出。有机相通常出现在固相和液相的界膜处,相当于表面活性物质,不仅降低固相物溶解度,还对溶液造成污染。对此,需要在废渣浸出过程中消除乳化现象。通过加入适度的萃取剂,可以去除有机相活性物质。本文选择磷类酸性萃取剂进行浸出液的净化,实现有机相的分离与清洗处理。本文将废渣浸出液的过程酸度设定为3.5pH,终止酸度设定为4 pH,保证锌金属的有效溶解和富集。

1.3 设置综合回收利用的置换工艺模式

经酸洗和水洗处理后,还存在未完全溶解于浸出液的有价金属元素。为提高废渣含锌量,还需要进一步对废渣进行综合回收。本文按照置换工艺模式控制锌矿废渣的回收工序,保证较高的浸出率,以此完成废渣的综合回收利用。技术流程图如图1所示。

图1 综合回收利用技术流程图

如图1所示,该综合回收利用流程主要包括一次和二次置换工作过程。一次置换为生产粗锌的过程,即在废渣浸出液中直接置换出锌,压团后产生粗锌。根据热动力学模型可知,金属置换溶液中锌向负向移动的幅度小于有价金属,在电性方面表现为0.25V左右的差异。因此,溶液中需要存在大量的锌离子才能实现完全置换。实际工程中,废渣一次置换是不可能实现有效回收的,只能得到粗锌成团的结果[3]。将锌矿滤渣磨浆化后放入搅拌槽中,加入硫酸浸出,并检测温度和酸度变化情况。控制一次置换工艺的温度为50℃,时间为1h,起始和终止酸度分别为5.3 pH。在此条件下,既能保证锌留在酸溶液中,又能提高压团成功率。一次置换产出后,进一步进行酸溶工序,操作程序与一次浸出相同,完成二次置换。与一次浸出滤液相比,二次滤液的锌富集量可达3倍以上,并且锌团成功率也得到极大地提升。控制二次工艺的温度为85℃,时间与酸度条件与一次置换保持一致。反应完毕后,滤渣即锌渣。对一次浸出液分多次加入活化剂,控制酸度为4.5,反应终止后,过滤得到有价金属。在保证锌矿质量的前提下,可以获得与之伴生的有价金属资源,以此实现废渣的综合回收利用。

2 实验

2.1 实验准备

本文提出了一种湿法炼锌废渣综合回收利用技术,下面设计实验验证其应用效果。本次试验采用的原材料为某冶炼厂生产的锌矿废渣。为保证实验浸出过程发生完全的氧化还原反应,需要对测试条件进行控制。固体粒径越大,浸出所需时间越长,原则上粒径越小越能提高锌回收率。但考虑实际生产条件,较小的颗粒需要花费较大的研磨成本。综合上述情况,将废渣粒度设定为120目。在一定速度范围内,随着搅拌速度的增加,浸出效率也随之增大。为保持良好的浸出效率,本次实验设定搅拌速度为70r/min,并选择双层三片桨叶进行搅拌。保持其他实验条件不变,测定温度与浸出率的关系,结果如表1所示。

表1 反应温度与浸出率的关系

根据表1的结果,温度达到80℃,可以达到较高的浸出率,因此本次实验设置反应温度为80℃。最后,设定废渣的浸出时间为5h。以此条件为基础,进行后续的实验测试。

2.2 实验结果

为验证本文技术的优越性,与传统的真空碳热还原技术与回转窑处理技术进行对比。选择锌的浸出率作为评价指标,衡量技术的回收水平。浸出率的计算公式为:

式(3)中,p表示浸出率;0n和n分别表示原料与浸出渣中锌的质量。实验对比结果如图2所示。

图2 实验对比结果

根据图2的测试结果,本文所提出的回收技术的浸出率明显高于两种对照组的技术。因此,本文技术能够提高锌金属的回收率,有利于降低实际锌矿工程的生产成本,并增加经济效益。

3 结语

本文提出了一种锌废渣综合回收利用技术,实验测试结果表明该技术能够提升锌回收率,具有良好的应用前景。尽管本文的研究取得一定成果,但还存在可以优化的内容。后续可针对活化剂进行深入研究,探讨活化剂对有价金属离子的影响,使其更好地去除杂质,增加回收技术的适用性。除此之外,还可将湿法与火法炼锌相结合,进一步提升技术的经济价值。

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