微波干燥闪锌矿试验研究.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期2 1 微波干燥闪锌矿试验研究 朱艳丽，彭金辉，张世敏，张利波，范兴祥，郭胜惠，黄孟阳 昆明理工大学材料与冶金工程学院，云南昆明6 5 0 0 9 3 摘要研究了利用微波加热干燥闪锌矿的新工艺，对影响闪锌矿相对脱水率的微波功率、微波辐射时间 和物料质量等因素进行了研究，得出微波干燥闪锌矿优化试验条件为物料质量1 0 0 9 、干燥时问8 0 s 、微 波功率7 0 0 W ，在此条件下微波干燥闪锌矿的相对脱水率为2 6 ．0 6 ％，并进一步对微波干燥闪锌矿的失 水特性进行了分析和讨论；通过对试验数据的回归分析，获得了微波干燥闪锌矿的数学模型，采用 B o l t z m a n n 模型最佳。 关键词微波；干燥；闪锌矿 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 0 5 0 5 0 0 2 1 0 4 S t u d i e so nM i c r o w a v eD r y i n go fS p h a l e r i t e Z H UY a n l i ，P E N GJ i n h u i ，Z H A N GS h i m i n ，Z H A N GL i - b o ，F A NX i n g x i a n g ， G U oS h e n g h u i ．H U A N GM e n y a n g T h eF a c u l t yo fM a t e r i a l sa n dM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e r i n g ，K u n m i n gU n i v e r s i t yo fS c i e n c ea n dT e c h n o l o g y ，K u n m i n g6 5 0 0 9 3 ，C h i n a A b s t r a c t T e c h n o l o g yo fd r y i n gs p h a l e r i t eb ym i c r o w a v ew a ss t u d i e d ．T h ee f f e c t so fm i c r o w a v ep o w e r ，d r y i n g t i m ea n dm a t e r i a lw e i g h to nt h er e l a t i v er e m o v a lw a t e rr a t eo fs p h a l e r i t ew e r er e s e a r c h e d ．T h er e l a t i v er e m o v a l w a t e rr a t eo ft h ed r i e ds p h a l e r i t ew a s2 6 ．0 6 ％u n d e rt h eo p t i m u mc o n d i t i o n so fm a t e r i a lw e i g h t1 0 0g ．d r y i n g t i m e8 0Sa n dm i c r o w a v ep o w e r7 0 0W ．T h ed e h y d r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c sw e r eo b t a i n e d ．I tw a si n d i c a t e dt h a tt h e r e g r e s s i o nm o d e lo fm i c r o w a v ed r y i n go ns p h a l e r i t ew a si na c c o r dw i t ht h ee q u a t i o n B o l t z m a n n ． K e y w o r d s M i c r o w a v e ；D r y i n g ；S p h a l e r i t e 闪锌矿是自然界中常见的硫化物，是提取金属 锌的主要原料。无论是采用湿法还是火法炼锌，闪 锌矿首先都要进行焙烧。实践证明，焙烧时闪锌矿 含水率在8 ％左右最为适宜，当闪锌矿含水率超过 8 ％时，应对其进行干燥脱除多余水分[ 1 ] 。以传统 方式干燥闪锌矿由于劳动强度大，环境污染严重等 缺点，迫切需要寻求一种新的干燥方法来取而代之， 而微波于燥能解决这一问题。 微波是波长在1m m ～1m 、频率在3 ．0 1 0 2 ～ 3 ．0 1 0 5M H z 、具有穿透能力的一种电磁波。微波 作为加热的一种能源起源于2 0 世纪4 0 年代，到6 0 年代末，微波已能应于加热、干燥、杀虫、灭菌、医疗 作者简介朱艳丽 1 9 8 0 一 ，女，湖北公安县人，硕士研究生 等领域。2 0 世纪7 0 年代以来，国外微波干燥的应 用领域还在继续扩大。目前在国外已将微波干燥用 于食品工业中，在轻工业、农业以及农产品加工等领 域也得到了较为广泛的应用。在国内，对微波干燥 香姑、果脯、稻谷、南瓜、土豆、胡萝卜、龙眼等食品工 业的试验研究报道相对较多[ 2 - 3 】，而有关微波干燥 矿产品的应用研究报道却甚少，微波加热干燥闪锌 矿目前尚未见报道。本试验拟采用微波加热干燥闪 锌矿，探索闪锌矿干燥新工艺。 1试验 1 ．1 试验原料、设备和仪器 万方数据 2 2 - 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 试验原料采用云南某铅锌矿厂提供的闪锌矿， 参照G B 3 1 6 9 ．3 8 2 测定的初始含水率为1 0 ．5 9 ％。 试验装置由E X 一5 0 0 0 A 电子天平，试验用微波 炉 功率7 0 0W ，频率24 5 0M H z 等组成。如图1 所示。 器 图1 微波干燥试验装置 F i g ．1E x p e r i m e n t a le q u i p m e n to f m i c r o w a v ed r y i n g 1 ．2 试验原理与方法 根据单位时间单位体积的电介质在微波中所产 生的热量 P 与电场强度 E 、频率 f 及电介质的 介电损耗系数 t 之间的关系式 P f E 2 e r X t g 艿 可以看出，物质在微波场中所产生的热量大小 与物质种类及其介电特性有很大关系，即微波对物 质具有选择性加热的特点。由于物料中的水分介质 损耗较大，能大量吸收微波能并转化为热能。因此， 物料的升温和蒸发是在整个物体中同时进行的，这 既可以缩短工艺时间、提高生产率、降低成本，又可 以提高产品质量[ 4 _ 6 ] 。 试验方法准确称量试样放入容器中，记录物料 重量W 1 ，在一定的微波功率下进行干燥试验。在线 称重，每隔一段时间同时记录干燥时间和物料质量 W 2 。根据下式计算物料相对脱水率 人W l - 丁W 一2 1 0 0 ％ W I 其中，w 为物料初始含水量。 2 试验结果与分析 2 ．1 干燥条件对物料相对脱水率的影响 2 ．1 ．1 物料量 试验在微波功率7 0 0W 、辐射时间8 0S 的条件 下，分别称取闪锌矿2 0 、5 0 和1 0 0g 进行试验，结果 见图2 。 术 、 婚 * 望 靛 器 O 2 0 4030 干燥时间，S 图2 物料质量对相对脱水率的影响 F i g ．2 E f f e c to fm a t e r i a lm a s so nt h e r e l a t i v er e m o v a lw a t e rr a t e 从图2 可以看出，干燥时间相同时，物料相对脱 水率随着物料质量的增加而降低。在固定干燥容器 中，随着物料质量的增加，料层厚度增加，内部水分 向外部迁移阻力增加。在微波辐射功率和时间相同 的条件下，物料的质量越大，其相对脱水率就越低。 但物料进行焙烧前含水率在8 ％左右，即相对脱水 率在2 4 ．4 6 ％左右最为恰当。从图2 可以看出，当 物料质量为1 0 0g 时，干燥所达到的程度最为适宜。 2 ．1 ．2 时间 试验在微波功率7 0 0W 的条件下，称取闪锌矿 1 0 0g 进行试验，结果见图3 。 1 0 0 ．O 8 0 ．0 术 静6 0 ．0 * 萎㈣ 霉 2 0 ．O 05 01 0 01 5 02 0 02 5 0 干燥时间／s ，一 图3 辐射时间对相对脱水率的影响 F i g ．3 E f f e c to fr a d i a t i o nt i m eo nt h er e l a t i v e r e m o v a lw a t e rr a t e 从图3 可以看出，闪锌矿的相对脱水率随着干 燥时间的延长而增加。在一定的微波功率下，随着 辐射时间的延长，物料所吸收微波能增加，相对脱水 率相应增加。当辐射时间为8 0S 时，物料相对脱水 率与2 4 ．4 6 ％最为接近，所以对于1 0 0g 矿物来说， 辐射时间定为8 0S 最为合适。 O O 0 O 0 0 0 O { 乏 鲫 ∞ 们 ∞ ∞ m n 万方数据 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 2 3 2 ．1 ．3 微波功率 在辐射时间为8 0S ，物料质量为1 0 0g 的条件 下，将微波功率分别设定为7 0 0W ，4 9 0W 和2 1 0W 进行试验。结果见图4 。 莲 墼 饕 罂 1 02 03 0 4 0 5 06 07 08 0 9 0 干燥时间I s 图4 微波功率对相对脱水率的影响 F i g ．4 E f f e c to fm i c r o w a v ep o w e ro nt h e r e l a t i v er e m o v a lw a t e rr a t e 由图4 可知，输入微波功率越大，微波腔体中的 场强越大，单位时间单位体积的物料所产生的热量 也就越大，水分的蒸发也就越快。所以，物料质量和 微波辐射时间相同时，随着微波功率的增加，物料相 对脱水率相应增加。试验确定微波功率为7 0 0W 。 由以上试验分析可知，微波干燥闪锌矿优化试 验条件为干燥时间8 0S ，物料质量1 0 0g ，微波功率 7 0 0W 。此条件下得出闪锌矿的相对脱水率为 2 6 ．0 6 ％。 2 ．2 微波干燥物料的失水特性 2 ．2 ．1 干燥速率曲线 图5 是闪锌矿微波干燥过程干燥速率随物料干 基含水率变化的干燥速率曲线。试验在微波功率为 7 0 0W 的条件下进行。结果表明微波干燥闪锌矿 的全过程可分为加速、恒速、降速干燥3 个阶段。从 图5 可以看出。微波干燥闪锌矿初始加速期非常短 暂，这主要是由于微波内加热和选择性加热等特点。 在干燥开始初期，物料中含有的水分最多，表面及内 部水分大量吸收微波能并转化为热能而迅速升温， 水分很快开始蒸发，干燥速率迅速上升到最大值而 进人微波干燥恒速阶段。干燥过程中此恒速阶段所 持续的时间较长，正因为如此，微波干燥比起传统干 燥来说，具有干燥时间短，干燥效率高等优点。此 后，随着干燥的进行，水分的不断蒸发，干燥过程进 入降速阶段。 2 ．2 ．2 模型拟合 传统干燥典型的数学模型为 零 、 婚 蚓 苗 基 哦 宝 坩 干基含水率，％ 图5 干燥速率曲线 F i g ．5D r y i n gr a t ec u r v e M R A e x p 一K t 式中水分比M R M M e ／ M e M e ；M 为t 时刻物料干基含湿量 ％ ；M e 为物料原始含湿 量 ％ ；M e 为物料平衡含湿量 ％ ；t 为物料干燥 时间 s ；A 为待定常数。 微波干燥闪锌矿是否符合这一模型，必须对试 验结果进行数据处理。试验在微波功率为7 0 0W ， 物料质量为1 0 0g 的条件下进行。为了便于讨论， 在此我们将M R 简化为M ／M e [ 7 | 。试验所得结果 M R t 散点图如图6 所示。 图6 物料质量为1 0 0g 的M R t 曲线 F i g ．6M R tc u r v eo f1 0 0gm a t e r i a l s 综合考虑传统干燥的典型数学模型，运用 o r i g i n 7 ．0 对图6 的点进行回归，其回归曲线如图6 的平滑曲线，满足的干燥方程为B o l t z m a n n 模型 M R A 2 垒L 二垒 1 1 e x p t 产 利用回归程序求得微波干燥闪锌矿方程中各待 定系数结果见表1 。 0 O O O 0 O 0 ∞ 踮 舯 m 5 o 0 8 6 4 2 0 l O O 0 O O 万方数据 2 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 5 年5 期 表1物料质量为1 0 0g 的M R t 曲线回归结果 T a b l e1R e s u l to ft h er e g r e s s i o nm o d e lo f M R 。’tc u r v eo f1 0 0gm a t e r i a l s 项目数据 C h i ‘2 ／D o F R 2 I n i t A 1 F i n a l A 2 X a t Y 5 0 t o W i d t h A t X a t Y 2 0 X a t Y 8 0 8 ．2 3 22 9 E 一5 0 ．9 9 91 7 1 ．1 3 780 ．0 2 07 0 ．1 1 03 20 ．0 1 37 i 0 0 ．6 41 ．6 5 4 4 ．9 4 42 ．1 1 3 8 ．3 3 90 3 1 6 2 ．9 4 96 2 对质量为5 0g 和2 0g 的闪锌矿分别进行微波 干燥，微波功率依然为7 0 0W 。参照上述模型进行 M R t 曲线回归，所得结果如表2 所示。 上述回归后R 2 值表明回归曲线与实测值相当 吻合。 3结论 1 微波干燥闪锌矿是可行的； 2 闪锌矿相对脱水率随着干燥时间的延长，微 波功率的增加而增加，随着物料质量的增加而降低； 通过分析可得微波干燥闪锌矿优化试验条件为物料 质量1 0 0 9 、干燥时间8 0 s 、微波功率7 0 0 W ，在此条件 下微波干燥闪锌矿的相对脱水率为2 6 ．0 6 ％； 表2 物料质量为5 0g 和2 0g 的M R t 曲线回归结果 T a b l e2R e s u l to ft h er e g r e s s i o nm o d e lo fM R tc u r v eo f5 0ga n d2 0gm a t e r i a l s 5 0g 回归方程有关系数2 0g 回归方程有关系数 Y A 2 A I A 2 ／[ 1 e x p t t o ／A t ] C h i ‘2 ／D o F0 ．0 0 02 8 R 20 ．9 9 74 9 A l1 ．1 4 75 70 0 4 15 8 A 20 ．0 9 68 10 ．0 2 84 1 钿 7 9 ．8 5 30 92 ．5 1 53 3 A t3 4 ．1 5 68 33 ．2 3 93 Y A 2 A I h 2 ／[ 1 e x p t t o ／A t ] 0 ．0 0 02 2 0 ．9 9 84 7 i ．1 1 42 30 ．0 3 98 8 0 ．0 1 060 ．0 5 72 6 6 0 ．7 1 42 21 ．9 0 88 2 2 1 ．7 0 56 32 ．6 2 13 4 3 微波干燥闪锌矿全过程可分为加速、恒速和 降速3 个阶段； 4 在本试验范围内，通过回归分析，微波干燥 闪锌矿数学模型采用B o h z m a n n 模型。 参考文献 [ 1 ] 魏昶，王吉坤．湿法炼锌理论与应用[ M ] ．云南科技出 版社，2 0 0 3 3 5 3 6 ． [ 2 ] 熊永森，王俊，王金双．微波干制南瓜片干燥规律及工 艺优化研究[ J ] ．农业工程学报，2 0 0 4 ，2 0 2 1 8 1 1 8 4 ． [ 3 ] 陈燕，陈羽白．龙眼微波干燥的试验研究[ J ] ．广西大学 学报，2 0 0 4 ，2 9 1 5 8 6 1 ． [ 4 ] 彭金辉，杨显万．微波能技术应用[ M ] ．昆明云南科技 出版社，1 9 9 7 8 1 1 1 3 ． [ 5 ] 王金成，熊力．微波在环境化学中的应用[ J ] ．气象水文 海洋仪器，2 0 0 1 ， 2 4 4 4 6 ． [ 6 ] 潘永康．现代干燥技术[ M ] ．北京化学工业出版社， 1 9 9 8 3 2 9 ． [ 7 ] 王俊，许乃章，热风．远红外和微波干燥香菇方程研究 [ J ] ．农业机械学报，1 9 9 4 ，2 5 2 4 8 5 2 ． 上接2 0 页 3结论 通过连续电解实验研究，验证了采用电化学溶 解、电解沉积可以有效对C u Z n S n P 四元合金进行 有效的主金属分离，达到了使铜电解沉积，锌、锡进 入电解液的目的。合理的电解工艺是C u 2 4 0 9 ／ L 、H 2 S 0 4 2 1 0 9 ／L 、5 5 ℃、5 0 h 、阴极电流密度保持在 4 0 0A ／m 2 左右、对阳极筐要进行及时的翻动，时间 间隔5 ～6 h 。 参考文献 [ 1 ] 郝润蓉．无机化学丛书 第三卷 [ M ] ．北京科学出版 社，1 9 8 8 [ 2 ] 株洲冶炼厂．铜的精炼[ M ] ．长沙湖南人民出版社， 1 9 7 3 [ 3 ] 戴永年．真空冶金学[ M ] ．北京冶金工业出版社，2 0 0 2 万方数据