用浓硫酸活化—稀硫酸浸出工艺从铅烟尘中浸出铜锌镉砷

2022-10-19王志鹏杜均文孙航宇张登利杨洪英

湿法冶金 2022年5期

张勤，王志鹏，杜均文，孙航宇，张登利，杨洪英

(1.东北大学多金属矿生态冶金重点实验室，辽宁沈阳 110819；2.东北大学冶金学院，辽宁沈阳 110819)

现代火法炼铅过程中，铅、锌、铜、铁、镉、铋等有价金属及砷、锑等有害元素在高温下会挥发进入铅烟尘，而铅烟尘可作为配料原料返回熔炼系统重炼，各种有价金属和有害元素会在系统中循环累积，不但会增大配料难度，也会导致炉况恶化及最终产品质量下降，造成资源浪费[1-2]。

冶炼烟尘处理工艺主要有火法[3-7]、湿法[8-14]及火法-湿法联合法[15-18]。试验采用浓硫酸活化铅烟尘，然后用稀硫酸浸出其中的铜、锌、镉、砷[19-22]，以期为含铅烟尘的回收处理提供参考。

1 试验部分

1.1 试验原料、试剂与设备

含铅烟尘：某铅锌冶炼厂铅锌矿烧结焙烧过程中的烟尘，主要化学成分见表1，粒径分析结果见表2。颗粒粒径分布在0.100～45.000 μm之间，91.31%集中在0.200～20.000 μm之间，粒径较小。

表1 铅烟尘的主要成分 %

表2 铅烟尘的粒径分析结果

铅烟尘的SEM分析结果如图1所示，XRD分析结果如图2所示。可以看出：铅烟尘颗粒多为不规则状，有团聚现象；烟尘主要成分为SiO2、PbSO4、ZnO、ZnSO4、CdS、CdSO4、CuO、CuS、Fe2O3、As2O3，也有部分可能因结晶度较差或含量太低未出现明显衍射峰。

图1 铅烟尘的SEM照片

图2 铅烟尘的XRD图谱

试验试剂：浓硫酸，浓硝酸，浓盐酸，硫酸铁，硼氢化钠，硫脲，抗坏血酸，天津市致远化学试剂有限公司；铅标准溶液，铜标准溶液，锌标准溶液，铁标准溶液，国家有色金属及电子材料分析测试中心。所有试剂均为分析纯。

试验设备：数显恒温水浴锅，HH-2型，常州澳华仪器有限公司；顶置式机械搅拌器IKA，RW20 DIGITAL型，德国IKA集团；电子天平,AL104型，瑞士梅特勒-托利多集团；pH计，PHS-3E型，上海雷磁是仪股份有限公司；电热鼓风干燥炉,101-3AB型，天津市泰斯特仪器有限公司；循环水式多用真空泵，SHZ-Ⅲ型，上海贤德实验仪器有限公司；原子吸收分光光度计，TAS-990型，北京普析通用仪器有限责任公司；X射线衍射仪，D8 ADVANCE型，德国布鲁克AXS有限公司；激光粒度分析仪,BT-9300H型，丹东百特仪器有限公司；循环分散器，BT-601型，丹东百特仪器有限公司；场发射扫描电子显微镜，Quanta250FEG型，捷克FEI有限公司；超大功率X射线衍射仪，M21X型，日本玛坷科学仪器有限公司；台式低速离心机，L550型，湖南湘仪实验室仪器有限公司。

1.2 试验原理与方法

铅冶炼烟尘粒度较小，且部分金属化合物被难溶物质包裹而难以浸出。在加热条件下，浓硫酸有强氧化性，可破坏烟尘中的团聚结构，使Cu、Zn、Cd、As等反应活性增强；同时，可将As(Ⅲ) 氧化成As(Ⅴ)，为后续铁盐法生成稳定的砷酸铁提供条件。活化体系可能发生的主要反应如下：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

试验在烧杯中进行。首先，将铅烟尘与浓硫酸按一定酸矿体积质量比充分混合，搅拌均匀，在恒温水浴锅中保温规定时间，然后加入去离子水或不同浓度稀硫酸搅拌浸出一定时间，浸出后抽滤、洗涤，浸出渣烘干后与浸出液分别分析其中金属含量，计算金属浸出率。

2 试验结果与讨论

2.1 铅烟尘活化

烟尘活化效果以稀硫酸浸出后的各元素浸出率表征。浸出条件：液固体积质量比6/1，温度80 ℃，硫酸质量浓度60 g/L，浸出时间120 min，搅拌速度300 r/min。

2.1.1 酸矿体积质量比对各元素浸出率的影响

烟尘质量50 g，活化时间120 min，活化温度80 ℃，酸矿体积质量比对各元素浸出率的影响试验结果如图3所示。

图3 酸矿体积质量比对各元素浸出率的影响

由图3看出：当酸矿体积质量比小于1.1/1时，铜、镉浸出率随酸矿体积质量比增大而升高；酸矿体积质量比为1.1/1时，铜、镉浸出率达95%、93%且趋于稳定。酸矿体积质量比为0.3/1～0.7/1时，锌浸出率随酸矿体积质量比增大而升高，之后变化不大；铅浸出率受酸矿体积质量比变化影响不大，始终低于0.004%，可以忽略不计。砷浸出率随酸矿体积质量比增大逐渐提高，浸出率达86.1%后略有降低但变化不大。

浓硫酸呈油状，加入量较少时会与局部烟尘发生团聚，二者不能充分混合，从而导致活化效果不佳；随浓硫酸用量增加，液固接触面积增加，活化效果明显增强，反应更加彻底。综合考虑，确定酸矿体积质量比以1.1/1为宜。

2.1.2 活化时间对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，酸矿体积质量比1.1/1，活化温度80 ℃，活化时间对各元素浸出率的影响试验结果如图4所示。

图4 活化时间对各元素浸出率的影响

由图4看出：随活化时间延长，铜、镉浸出率升高幅度较大，锌浸出率升高幅度不大；活化60 min 后，铜、锌、镉浸出率均趋于稳定，砷浸出率略有升高；活化时间对铅浸出率影响不大，始终低于0.004%。综合考虑，确定活化时间以60 min为宜。

2.1.3 活化温度对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，酸矿体积质量比1.1/1，活化时间60 min，活化温度对各元素浸出率的影响试验结果如图5所示。可以看出：随活化温度升高，镉、铜、砷浸出率升高，60 ℃时砷浸出率达最大并趋于稳定，80 ℃时铜、镉浸出率达最大并趋于稳定；活化温度对铅、锌浸出率的影响不大，锌浸出率始终大于95%，铅浸出率始终小于0.004%。综合考虑，确定适宜活化温度为80 ℃。

图5 活化温度对各元素浸出率的影响

2.2 活化烟尘浸出

铅烟尘在酸矿体积质量比1.1/1、温度80 ℃下活化60 min后用硫酸进行浸出。

2.2.1 硫酸质量浓度对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，液固体积质量比6/1，温度80 ℃，浸出时间120 min，搅拌速度300 r/min，硫酸质量浓度对各元素浸出率的影响试验结果如图6所示。

图6 硫酸质量浓度对各元素浸出率的影响

由图6看出：随硫酸质量浓度升高，铜、锌、镉、砷浸出率升高，均在硫酸质量浓度60 g/L时达最大。综合考虑，确定适宜硫酸质量浓度为60 g/L。

2.2.2 温度对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，硫酸质量浓度60 g/L，液固体积质量比6/1，浸出时间120 min，搅拌速度300 r/min，温度对各元素浸出率的影响试验结果如图7所示。可以看出：温度升高，既有利于反应物扩散和化学反应进行，又有利于溶液黏度降低及产物溶解度增大，但温度较高时会加剧溶液蒸发。随温度升高，铜、镉、砷浸出率均有明显升高；温度达60 ℃时，铜、锌、镉浸出率均达最大，砷浸出率也达最大；温度超过60℃后，铜、锌、镉、砷浸出率均趋于稳定。温度对铅浸出率的影响始终较小。综合考虑，确定适宜浸出温度为60 ℃。

图7 温度对各元素浸出率的影响

2.2.3 液固体积质量比对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，硫酸质量浓度60 g/L，温度60 ℃，浸出时间120 min，搅拌速度300 r/min，液固体积质量比对各元素浸出率的影响试验结果如图8所示。

图8 液固体积质量比对各元素浸出率的影响

由图8看出：随液固体积质量比增大，铜、锌、镉、砷浸出率均升高明显；至液固体积质量比6/1后，均趋于稳定，变化不大，铅浸出率受液固体积质量比影响很小。液固体积质量比较小时，液固两相难以反应充分，体系呈浆状；随液固体积质量比增大，体系中H+数量增多，矿浆黏稠度降低，液固多相反应更充分，有利于铜、锌、镉、砷浸出。综合考虑，选择液固体积质量比以6/1为宜。

2.2.4 浸出时间对各元素浸出率的影响

铅烟尘质量50 g，硫酸质量浓度60 g/L，温度60 ℃，液固体积质量比6/1，搅拌速度300 r/min，浸出时间对各元素浸出率的影响试验结果如图9所示。可以看出：随反应进行，锌、铜、镉、砷浸出率均升高；浸出90 min后，锌、铜、镉浸出率变化不大，而砷浸出率略有下降。随反应进行，体系中有砷酸铁沉淀生成进而导致砷浸出率下降。综合考虑，确定适宜浸出时间为90 min。

图9 浸出时间对各元素浸出率的影响

2.3 验证试验及常规酸浸对比

基于上述试验结果，确定铅烟尘在酸矿体积质量比1.1/1、温度80 ℃下活化60 min，然后用60 g/L 硫酸，在60 ℃、液固体积质量比6/1条件下浸出90 min，试验进行3次，试验结果见表3。常规酸浸条件为：硫酸质量浓度60 g/L，液固体积质量比6/1，浸出时间120 min，温度80 ℃，搅拌速度300 r/min，各元素浸出率见表4。可以看出，经活化后再浸出，各元素浸出率均有较大幅度提高。