氧气传质对湿法炼锌过程中针铁矿法除铁的影响

2021-04-24苏开萌谢克强毛志丹袁晓磊

矿冶 2021年2期

关键词：矿浆铁水去除率

苏开萌谢克强毛志丹袁晓磊

(1.昆明理工大学冶金与能源工程学院，昆明 650093；2.昆明理工大学真空冶金国家工程实验室，昆明 650093)

1 试验原理

Fe2+的氧化是通过溶解在溶液中的氧实现的，由于氧气在水中的溶解度很小(如表1)[17]，传质效果差，并且随着温度的升高，氧气在水中的溶解度降低，这就加大了Fe2+的氧化难度。

表1 常压低温下氧气在纯水中的溶解度

Fe2+氧化反应：

4Fe2++O2+4H+=4Fe3++2H2O

(1)

HABER 和WEISS等认为Fe2+的氧化按反应式2～5顺序进行[18-19]：

(2)

(3)

Fe2++H2O2→Fe3++H2O+HO-

(4)

Fe2++HO-→Fe3++H2O

(5)

根据WEISS的研究，Fe2+的氧化过程可以分为5个步骤：1)氧气通过气、液界面进入溶液；2)通过Fe2+周围的水合氢离子层与Fe2+接触；3)氧分子裂解成氧原子；4)氧原子与Fe2+反应；5)得到电子的氧原子通过水合氢离子层返回到溶液中。当溶液中存在Cu2+时，对Fe2+的氧化起到催化作用[17]：

Fe2++Cu2+↔Fe3++Cu+

(6)

(7)

2 试验

2.1 原料

试验原料为多金属复杂铅锌混合精矿采用氧压工艺浸出后获得的氧压浸出液，其主要化学成分见表2。

表2 锌精矿氧压浸出液成分

2.2 工艺流程及试验方法

除铁工艺流程如图1所示。试验装置见图2。取500 mL的浸出液倒入1 L的烧杯，将烧杯放入到已预先加热到90 ℃的水浴锅中，继续加热到90 ℃后，加入足量ZnS对Fe3+进行还原，反应时间为1 h。还原试验结束后，进行液固分离。滤液采用饱和Na2CO3溶液调节pH值为4.0后于水浴锅中90 ℃下进行通氧除铁试验。除铁过程中保持反应温度为90 ℃，通过滴加饱和Na2CO3溶液将溶液pH值维持在3.0～3.5，反应时间为4 h。试验完成后，进行液固分离，滤液送去分析。

图1 除铁工艺流程Fig.1 Iron removal process

图2 试验装置Fig.2 Experimental setup

3 结果与讨论

3.1 通气方式的影响

溶液的溶氧量除了受温度、氧分压、溶液成分的影响外[20]，还与氧气在溶液中的分散度有关。不同通气方式对除铁效果的影响结果见表3。

表3 通气方式对除铁效果的影响

由表3可见，不曝气与曝气的除铁效果相差很大。这是因为，不曝气情况下，氧气仅集中在溶液中的某一区域，与液体接触面积小，传质效果差，溶液中溶氧量小，导致Fe2+氧化速率慢，从而影响Fe3+的水解速率及除铁效率。在反应4 h后，铁的去除率只有52.55%，溶液残留的铁浓度达到10.12 g/L。曝气情况下，增大了氧气与溶液的接触面积，加快了氧气在溶液中的传质，强化了Fe2+氧化，有效提高了铁的去除效率，铁的去除率达到98.32%，溶液中残留的铁浓度低至0.36 g/L，说明氧气在溶液中的传质对Fe2+的氧化起着关键性的作用。

简单的搅拌对氧气的传质效果影响较小，在只曝气时，铁的去除率达到97.02%，溶液中残留的铁浓度为0.62 g/L，与曝气+搅拌结果相差很小，这一结论与KASKIALA的研究[21]结果一致。但搅拌可加快生成颗粒的运动速率，加速颗粒成核、生长，更有利于改善沉淀矿浆的过滤性能，同时提高渣中的铁含量。

3.2 氧气流量的影响

氧气流量是氧气输入过程的一个重要参数，最佳的氧气流量可以提高效率、质量和经济性。一般认为，增加氧气流量，可以加大氧气在气、液界面的传质，加快Fe2+的氧化速率，提高铁的去除效果。不同氧气流量对除铁效果的影响结果见表4。

表4 氧气流量对除铁效果的影响

由表4可见，氧气流量≥1 L/min后，随着氧气流量的增加，铁的去除率无明显变化，说明氧气流量的增加对氧气在溶液中的溶解度影响较小。KASKIALA[21]认为，开始通入氧气时，由于氧在溶液中的饱和度较低，氧气流量对氧的溶解有较大影响，但随着时间延长，氧在溶液中的溶解达到饱和，氧气流量对氧的溶解影响较小。这就合理解释了，随着氧气流量的增加，除铁率并没有明显增加。但提高氧气流量，可加大溶液的搅拌程度，加速颗粒聚集成核、生长，更有利于改善沉淀矿浆的过滤性能(表4)。

3.3 沉淀物的性质

3.3.1 不同通气方式时所得沉淀物

图3为不同通气方式沉淀物的XRD图谱。从图3可以看出，XRD图谱的衍射峰少且宽，除了少数的衍射峰外，其余部分处于杂乱状态，说明除铁过程生成的沉淀物结晶效果较差。比较三种不同通气方式的沉淀物XRD图谱，可发现除衍射峰的强度不同外，衍射峰的形状基本一致，沉淀物可能是铁水化合物(5Fe2O3·9H2O)。一般认为，铁氧氢氧化物、铁水化合物(5Fe2O3·9H2O)是Fe3+在酸性介质中水解的第一产物[22]。CARLSON等[23]认为，在曝气情况下，Fe3+水解生成大量结晶度差的铁水化合物(5Fe2O3·9H2O)。铁水化合物的结构与FeOOH型矿物的结构有相似之处[24]，但铁水化合物的粒度极细，导致它的X射线衍射性能差，然而它不是无定型的[25-26]。铁水化合物(5Fe2O3·9H2O)中含有过量的水分子，过量的水分子几乎可以被所吸附的离子取代，这些离子难以在晶体结构中存在，因此被吸附的离子阻碍铁水化合物向针铁矿或赤铁矿转化。晶种的加入可以为铁水化合物提供晶核，降低一次成核所需的能量，可提高沉淀物的结晶度[14]。

图3 不同通气方式沉淀物的XRD图谱Fig.3 XRD patterns of sediments with different ventilation methods

图4为不同通气方式沉淀物的SEM照片，可见沉淀物是一种疏松多孔的物质，与LO等[27]对铁水化合物的观察结果一致。从图4可以看出，搅拌可使沉淀物疏松多孔，更有利于改善沉淀矿浆的过滤性能，不搅拌时，沉淀物黏结在一起，产物孔隙率低，不利于沉淀矿浆的过滤。

图4 不同氧化方式所得沉淀物的SEM图像Fig.4 SEM images of sediments obtained by different oxidation methods

3.3.2 不同氧气流量时所得沉淀物

图5为不同氧气流量时所得沉淀物的XRD图谱。可以看出，沉淀物的XRD衍射图谱基本一致，但沉淀物结晶度比较差。低浓度的Fe3+在pH值≥3时水解形成铁水化合物[28]。铁水化合物粒度极细，但并非是无定型的。由于初级颗粒非常小(1～7 nm)，聚集效果差，形成远程无序状态[28]，从而导致XRD衍射峰杂乱无序。由图5可见，氧气流量对沉淀物的形态没有明显的影响。