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超声波强化锌焙砂的浸出试验研究

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我国作为锌产量和消费量均居全球第一的大国,目前面临着严重的锌资源短缺问题。近年来锌资源开采强度过大,后备资源不足,供需矛盾突出。低品位的氧化锌矿和高铁闪锌矿已经成为炼锌行业的主要来源,因此发展改进工艺,提高资源综合利用能力是很重要的[1-2]。锌焙砂是锌精矿经过焙烧后所得产物,主要含氧化锌、硫酸锌和硫化锌等,是炼锌最主要的原料。锌焙

砂经过中性浸出以后,得到的浸出渣锌含量较高。目前大部分锌产于湿法炼锌厂,其传统工艺为中性-低酸-高酸三段浸出[3]。铁闪锌矿中铁质的存在,易形成强稳定性的铁酸锌,导致传统湿法炼锌工艺的锌浸出率较低[4-5]。超声波在近年来应用日益广泛,其强化浸出作用受到冶金工作者的重视。从超声波空化作用效果来讲,可分为物理作用和化学作用。物理作用指对颗粒物的粉碎作用、表面改性作用及对体系的搅拌作用;化学作用指通过高温高压对化学反应的催化,改变了反应途径[6]。已有研究报道,由于超声波空化作用能加大传质速率,在硫化铜精矿浸出试验中大大增加了铜的溶解,使其浸出率大大提高[7-8]。因此,本文探讨了在超声作用下酸碱两种体系中锌的浸出行为,考察了超声波辐射强度、辐射时间和液固比等对锌焙砂浸出率的影响。

1 材料与方法

1.1 材料及试剂

锌片(高纯,江苏科成有色金属新材料有限公司);乙二胺四乙酸二钠(分析纯,天津市百世化工有限公司);氯化铵(分析纯,天津市百世化工有限公司);六亚甲基四胺(分析纯,天津市恒昊公司化学试剂厂);硫酸溶液(1 mol·L-1);其他试剂均为分析纯,实验用水为去离子水。

试验所用锌焙砂来自陕西商洛炼锌厂,取适量的样品在破碎机中进行破碎,然后研磨装入试剂瓶中。使用ICP分析得知其主要元素有铜(2.12%)、铁(57.36%)、锌(7.71%)。

1.2 仪器及设备

T-214电子天平(北京赛多利斯仪器系统有限公司);DF-1015集热式恒温磁力搅拌器(巩义市予华仪器有限公司);GZX-DH电热恒温干燥箱(上海跃进医疗机械厂);WF-300D超声波仪(宁迫海曙五方超声设备有限公司)。

1.3 试验方法

准确称取一定量经粉碎后的锌焙砂,置于三颈烧瓶中,加入一定量的浸出剂,然后放入盛有适量水的超声波槽中,在不同条件下进行浸出试验,最后采用EDTA容量法测出浸出液中锌的含量,由此计算出锌的浸出率。按计算锌浸出率的公式:

浸出率=浸出液中锌含量/焙砂中锌含量×100%

2 结果与讨论

2.1 机械搅拌和超声波强化浸出对浸出率的影响

称取一定相同质量的锌焙砂6份,以硫酸作为浸出剂,保持液固比为7:1,其中3份用机械搅拌(固定转速为200 r·min-1),另3份用超声波辐射(功率设为300 W),分别在浸出时间为30、60、90、120、150、180 min时取试液进行分析,得到浸出率结果如图1所示。由图1可知,锌浸出率随超声波辐射时间和机械搅拌时间的延长而增大。与机械搅拌相比,超声波辐射锌焙砂浸出过程中锌的浸出率提高很大。

2.2 超声波功率对浸出率的影响

称取一定相同质量的锌焙砂6份,以硫酸作为浸出剂,保持液固比为7:1,其中3份用高强度超声波辐射(功率设为300 W),另3份用低强度超声波辐射(功率设为200 W),分别在浸出时间为30、60、90、120、150、180 min时取试液进行分析,得到浸出率结果如图2所示。由图2可知,在其他条件相同的情况下,用超声波在高强度和低强度下辐射锌焙砂,得出不同的锌浸出率。用高强度和低强度浸出锌焙砂,在浸出时间相同时,高强度超声波功率下浸出率增大值较多,浸出率提高。

2.3 超声时间对浸出率的影响

称取一定相同质量的锌焙砂3份,以硫酸作为浸出剂,保持液固比为7:1,用超声波(功率为300 W)浸出,另称取一定相同质量的锌焙砂3份,以NH4Cl-NH3·H2O为浸出剂,总氨浓度为7.5 mol·L-1,[NH4Cl]/[NH3·H2O]=1.5,液固比为8:1,用超声波(功率为300 W)浸出,分别在浸出时间为30、60、90、120、150、180 min时取试液进行分析,考察超声时间与浸出率的关系,结果如图3所示。由图3可知,酸浸和碱浸过程中,锌的浸出率随辐射时间的增加而增大,浸出时间越长,锌浸出率越高。在酸浸过程中,辐射时间120 min以上,浸出率增长缓慢,故选取酸浸时间为120 min,碱浸时间为150 min。

2.4 液固比对浸出率的影响

称取一定相同质量的锌焙砂3份,以硫酸作为浸出剂,液固比分别为3:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1时,用超声波在高强度下浸出120 min;另称取一定相同质量的锌焙砂3份,以NH4Cl-NH3·H2O为浸出剂,总氨浓度为7.5 mol·L-1,[NH4Cl]/[NH3·H2O]=1.5,液固比分别为3:1、5:1、6:1、7:1、8:1、9:1时,用超声波在高强度下浸出150 min,考察液固比和锌浸出率的关系,结果如图4所示。由图4可知,当液固比很小时,浸出液粘度太大,不利于搅拌。减弱了超声空化作用,减少了传质速率;当液固比增大时,浸出液粘度减小,超声空化作用增大了传质速率,扩散系数增大,浸出速度提高,但当液固比过大,浸出率的增长幅度不明显。综合考虑酸浸过程中取液固比为7:1时;碱浸过程中取液固比为8:1。

2.5 总氨浓度对碱浸过程浸出率的影响

取相同质量的锌焙砂3份,以NH4Cl-NH3·H2O为浸出剂,液固比保持为8:1,[NH4Cl]/[NH3·H2O]=1.5,总氨浓度分别为2.5、5、7.5、10、12.5 mol·L-1时,用超声波在高强度下浸出150 min,考察总氨浓度和锌浸出率的关系,结果如图5。由图5可知,随着总氨浓度的增加,浸出剂中与锌发生化学反应的NH3浓度增加,促进反应的进行,焙砂中的锌较容易浸出来,因此锌的浸出率明显提高。综合成本考虑总氨浓度取为7.5 mol·L-1。

3 结论

本文以焙砂为原料,分别使用硫酸和NH4Cl-NH3·H2O两种浸出剂体系探讨其浸出条件。通过试验发现,与常规浸出相比较超声波强化浸出锌焙砂可以大大提高锌焙砂的浸出率,缩短浸出时间。并且超声波强化硫酸浸出锌焙砂的最佳浸出条件是超声时间为120 min,超声功率为300 W,液固比为7:1,最大浸出率为91.5 %;超声波强化NH4Cl-NH3·H2O体系浸出锌焙砂的最佳浸出条件是总氨浓度为7.5 mol·L-1,液固比为8:1,超声时间为150 min,超声功率300 W,最大浸出率85.3 %。

参考文献

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[2] 陈爱良,赵中伟,贾希俊,等.氧化锌矿综合利用现状与展望[J].矿冶工程,2008,28(6):62-66.

[3] 孙强强.纳米氧化锌紫外光解水体中的亚甲基蓝[J].商洛学院学报,2015,29(4):33-36.

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(责任编辑:张国春)


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