含锌废渣及贫杂锌矿的碱浸动力学研究.pdf

1 0 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 含锌废渣及贫杂锌矿的碱浸动力学研究 张承龙1 ，赵由才2 1 ．上海第二工业大学城市建设与环境工程学院，上海2 0 1 2 0 9 ； 2 ．同济大学污染控制与资源化研究国家重点实验室，上海2 0 0 0 9 2 摘要研究了含锌废渣及贫杂锌矿在碱浸过程中的动力学。结果表明。含锌废渣 Z n O 在碱溶液中的浸 出过程符合关系式1 一 1 一对 专 缸，表观活化能为4 9 ．2 2k J ／m o l ，说明浸出过程受化学控制；贫杂锌矿 Z n C O 。 在碱溶液中的浸出过程可分为两段，在开始段时间内，l 一 2 ／3 叩一 1 一叩 “3 与浸出时间呈直 线关系，活化能为1 9 ．9 5k J ／m o l ；而在6r a i n 以后则是1 一 1 一 ， 寺与浸出时间呈直线关系，活化能为 4 6 ．5 4k J ／m o l 。说明在开始时间段内是受内扩散控制，而随后的浸出过程是受化学反应控制。 关键词含锌废渣；贫杂氧化锌矿；碱浸；动力学 中图分类号T F 8 1 3文献标识码A文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 1 0 0 3 一0 0 1 0 0 3 K i n e t i cS t u d yo nA l k a l i n eL e a c h i n go fW a s t ea n dL e a nO r e sB e a r i n gZ i n c Z H A N GC h e n g l o n 9 1 ．Z H A OY o u c a i 2 1 ．S c h o o lo fU r b a nD e v e l o p m e n ta n dE n v i r o n m e n t a lE n g i n e e r i n g ，S h a n g h a iS e c o n dP o l y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 1 2 0 9 ，C h i n a l 2 ．T h eS t a t eK e yL a b o r a t o r yo fp o l l u t i o nC o n t r o la n dR e s o u r c eR e u s e ，T o n g j iU n i v e r s i t y ，S h a n g h a i2 0 0 0 9 2 ，C h i n a A b s t r a c t T h el e a c h i n gr e a c t i o nk i n e t i c so fw a s t eb e a r i n gz i n ca n ds m i t h s o n i t ei na l k a l i n es o l u t i o nw e r e s t u d i e d ．F o rw a s t eb e a r i n gz i n c ，p l o to f1 一 1 一叩 言v e r s u sl e a c h i n gt i m eg i v i n gl i n e a rr e l a t i o n s h i pi n d i c a - t e dt h a tt h ev e l o c i t yo fl e a c h i n gw a sc o n t r o l l e db yt h ec h e m i c a lr e a c t i o ns t e p ，t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g Yw a so b t a i n e dt ob e4 9 ．2 2k J ／m o lf r o ma nA r r h e n i u sp l o t ．F o rs m i t h s o n i t e ，d u r i n gt h ee a r l ys t a g eo f l e a c h i n gr e a c t i o n ，1 一 2 ／3 7 ／- - 1 一叩 2 船w a sl i n e a rw i t hl e a c h i n gt i m e ，w i t ht h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g y o f1 9 ．9 5k J ／m o l ；w h i l ei nt h el a t e rs t a g e ，1 一 1 一叩 寺w a sl i n e a rw i t hl e a c h i n gt i m e ，w i t ht h ea p p a r e n ta c - t i v a t i o ne n e r g yo f4 6 ．5 4k J ／m 0 1 ．T h u s ，i ti n d i c a t e dt h a tt h el e a c h i n gm e c h a n i s mo fs m i t h s o n i t ec h a n g e s f r o mi n n e rd i f f u s i o nc o n t r o lt oc h e m i c a lr e a c t i o nc o n t r 0 1 ． K e y w o r d s W a s t eb e a r i n gz i n c ；L e a no r e sb e a r i n gz i n c ；A l k a l i n el e a c h i n g ；K i n e t i c 碱浸一电解工艺 以下简称碱法工艺 是一种全 新的湿法炼锌工艺，因其电解析出为粉状金属锌，因 此可直接生产高纯度金属锌粉。主要包括矿石或废 渣碱性浸出、浸出液净化、电解、锌粉烘干加工等生 产工序。该工艺可以使用低品位氧化锌矿或废渣为 原料，具有流程简单、金属回收率高、原料适应性强、 产品质量好、有利于环境保护和资源综合利用等优 越性‘卜5 | 。本文对含锌废渣及贫杂锌矿的碱浸动力 学进行了研究，揭示其碱浸过程的反应机理，为工艺 研究提供指导。 1 试验原料及方法 1 ．1 试验原料 由于含锌废渣及贫杂氧化锌矿中锌主要以氧化 基金项目上海高校选拔培养优秀青年教师科研专项基金资助 e g d 0 8 0 0 9 l 上海第- - 3 2 业大学科技发展基金项目资助 作者简介张承龙 1 9 7 5 - - 。男，江苏昆山人。博士，讲师． 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 1 1 锌、碳酸锌的形态存在，因此本文各选取了一种含锌 烟尘、碳酸锌矿作为研究对象。两种原料所含元素 分析结果见表l 。原料的X 射线衍射图谱显示两种 实验原料中锌分别主要是以氧化锌、碳酸锌形态存 在的。本文分别对这两种锌化合物的碱浸动力学进 行了研究。 表1 原料成分 T a b l e1C h e m i c a lc o m p o s i t i o no fr a wm a t e r i a l s ／％ 1 ．2 试验方法 动力学研究实验在2L 三口烧瓶内进行，浸出 过程中定时取出3m L 溶液分析锌含量并计算浸出 率。浸出物料的粒径一o ．0 9 ～ 0 ．0 7 4m m ，即平均 粒径为0 ．0 8 2 5m m 。为了保持浸出过程中浸出剂 浓度基本不变，液固比采用5 0 l 。因液固比较大， 浸出液中锌浓度较低，锌浓度采取I C P 分析。 2 结果与讨论 2 ．1 含锌烟灰的碱浸出动力学分析 不同温度下含锌烟灰 Z n O 在碱溶液中的浸出 率1 与浸出时间的关系见图1 。将1 一 1 一刁 寺与 时间作图结果见图2 。从图中可看出，1 ～ 1 一刀 寺 与时间呈线性关系，直线的斜率即为该温度下反应 的表观速率常数k 。根据阿累尼乌斯 A r r h e n i u s 定理，由一系列不同温度时的I n k 值对I ／T 作图[ 6 ] ， 得到A r r h e n i u s 线性图，根据斜率可求出活化能为 4 9 ．2 2k J ／m o l 。 母 、 哥 丑 燃 01 02 03 04 ‘I5 06 0 浸出时I ’日J ／r a i n 图1 不同温度下含锌烟尘浸出率与 浸出时间的关系 F i g ．1R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e a c h i n gr a t e a n dt i m ef o rw a s t eb e a r i n gz i n c 由于1 - - 1 - - 7 ／ { 与浸出时间呈直线关系，活化 能为4 9 ．2 2k J ／t o o l ，并且搅拌强度试验结果表明， 浸出过程受搅拌强度的影响不大，所以可判断含锌 烟灰的浸出过程是受化学反应控制。对于该浸出过 程提高浸出率的主要途径为增加反应温度和提高浸 出剂N a O H 溶液的浓度。 0 ．6 f L 5 0 ．4 殳 f0 ．3 三0 ．2 0 ．1 0 蒹差三 。一o V_一 ‘ 01 5甜I4 ．56 0 浸出时问／r a i n 图2 含锌烟尘的l 一 1 一I ， { 与时间 的关系曲线 F i g ．2R e l a t i o n s h i pb e t w e e n1 一 1 一- ， { a n dt i m ef o rw a s t eb e a r i n gz i n c 2 ．2 碳酸锌的碱浸出动力学分析 不同温度下碳酸锌矿在碱溶液中的浸出率叼与 浸出时间的关系见图3 。根据浸出实验数据分析， 碳酸锌在碱溶液中的浸出过程可分为两段，在第一 段0 ～6r a i n ，1 一 2 ／3 ／- - 1 一呀 引3 与浸出时间呈 直线关系 图4 ，根据阿累尼乌斯定理，计算其表观 活化能为1 9 ．9 5k J ／t o o l ；而在6r a i n 以后则是 1 一 1 一叩 寺与浸出时间呈直线关系 图5 ，其表观 活化能为4 6 ．5 4k J ／m o l 。 因此，根据以上分析可判断碳酸锌矿在碱溶液 中浸出时，开始时间段内是受内扩散控制，而随后的 浸出过程是受化学反应控制。这主要是由于实验选 用的碳酸锌矿为低品位矿 锌品位为1 3 ．5 ％ ，矿石 中存在很多不溶于碱溶液的惰性成分，在浸出的开 始阶段，碱溶液在惰性层的扩散速度限制了浸出的 反应速度。对于该浸出过程，提高浸出率的主要途 径为提高反应温度和浸出剂N a O H 溶液的浓度。 另外降低矿粒粒度也可提高浸出率，但由于矿粒过 万方数据 1 2 有色金属 冶炼部分 2 0 1 0 年3 期 细在矿浆中会形成大量的微粒泥，使矿浆黏度增大， 从而阻碍固体颗粒的溶解，并使得浸出后的固液分 离困难，粒度试验结果表明，粒度小于0 ．1 4 7m m 后 浸出率变化不大。 l f 砌 8 0 窭6 静 委小， 2 l J 0 1 0 2 03 04 05 06 0 浸出时问I m i n 图3 不同温度下碳酸锌矿浸出率与 浸出时间的关系 F i g ．3 R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl e a c h i n gr a t e a n dt i m ef o rZ n C 0 3 02468 浸出时间／m i n 图4 碳酸锌矿的l 一 2 ／3 t I - - 1 - - n { 与时间的关系曲线 F i g ．4R e l a t i o n s h i pb e t w e e nl 一 2 ／3 叼一 1 一叩 吾a n dt i m ef o rZ n C 0 3 3结论 含锌废物及贫杂锌矿中的氧化锌、碳酸锌在强 碱溶液都有较好的浸出效果。含锌烟尘 Z n O 在碱 溶液中的浸出过程符合关系式l 一 1 一刁 亏 乜， 浸出过程受化学控制，提高浸出率的主要途径为提 高反应温度和浸出剂N a O H 溶液的浓度。 贫杂碳酸锌矿在碱溶液中的浸出过程可分为两 段，在开始段时间内，1 一 2 ／3 刁一 1 一刁 纠3 与浸出 图5 碳酸锌矿的l 一 1 一，， { 与时间 的关系曲线 F i g ．5R e l a t i o n s h i pb e t w e e n1 一 1 一l I { a n dt i m ef o rZ n C 0 3 时间呈直线关系，活化能为1 9 ．9 5k J ／m o l ；而在 6m i n 以后则是l 一 1 一刁 寺与浸出时间呈直线关 系，活化能为4 6 ．5 4k J ／m o l 。说明在开始时间段内 是受内扩散控制，而随后的浸出过程是受化学反应 控制或混合控制，提高浸出率的主要途径为提高反 应温度和浸出剂N a O H 溶液的浓度，及降低矿粒粒 度，但粒度小于0 ．1 4 7m m 后浸出率变化不大。 参考文献 [ 1 ] Y o u c a iZ h a o ，R o b e r tS t a n f o r t h ．P r o d u c t i o no fZ np o w d e rb ya l k a l i n et r e a t m e n to fs m i t h s o n i t eZ n P bo r e s E J 3 ．H y d r o m t a l l u r g y ，2 0 0 0 ，5 6 2 3 7 2 4 9 ． [ 2 ] Y o u c a iZ h a o ，S t a n f o r t hR ．E x t r a c t i o no fz i n cf r o mz i n c f e r r i t e sb yf u s i o nw i t hC a u s t i cS o d a [ J ] ．M i n e r a l sE n g i n e e r i n g ，2 0 0 0 ，1 3 1 4 1 7 1 4 2 1 ． [ 3 ] Y o u c a iZ h a o ，R o b e r tS t a n f o r t h ．S e l e c t i v eS e p a r a t i o no f l e a df r o ma l k a l i n ez i n cs o l u t i o nb ys u l f i d ep r e c i p i t a t i o n [ J ] ．S e p a r a t i o n S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 1 ，3 6 1 1 2 5 6 1 2 5 7 0 ． E 4 ] 张承龙。刘清。赵由才，等．碱浸电解生产金属锌粉技 术[ J ] ．有色金属，2 0 0 8 。6 0 3 6 6 6 9 ． [ 5 3 赵由才．碱浸一电解法从氧化锌 矿、泥、尘、渣 中生产 高纯度金属锌粉中国专利，Z L 0 3 1 1 6 7 4 ．3 [ P ] ．2 0 0 5 一 0 9 一O8 ． E 6 ] 华一新．冶金过程动力学导论[ M ] ．北京冶金工业出 版社，2 0 0 4 ． ∞aLI．一一。譬N．一 万方数据