李紅超,歐陽(yáng)成,王忠兵，習(xí)雪康

(江西理工大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

NH3-NH4HCO3-H2O體系浸出鋼鐵廠含鋅煙灰

李紅超,歐陽(yáng)成,王忠兵，習(xí)雪康

(江西理工大學(xué)材料與化學(xué)工程學(xué)院，江西 贛州 341000)

研究了在NH3-NH4HCO3-H2O體系下，以鋼鐵廠含鋅煙灰為原料，影響鋅浸出的因素。實(shí)驗(yàn)表明：影響鋅浸出率的主要因素為氨濃度和浸出時(shí)間；較優(yōu)的工藝條件是總氨濃度9.0 mol/L、浸出溫度40℃、浸出液初始pH值11.0～11.5、攪拌速度400 r/min、液固比4∶1、浸出時(shí)間1 h。

鋅煙灰；NH3-NH4HCO3-H2O體系；氨－銨浸出

0 前言

隨著我國(guó)鋼鐵工業(yè)的迅猛發(fā)展，高爐煉鐵過(guò)程中產(chǎn)生的粉塵數(shù)量越來(lái)越多。該粉塵大多含有鋅、鉛等物質(zhì)，如直接作為返礦使用，會(huì)對(duì)高爐冶煉造成負(fù)面影響?，F(xiàn)多數(shù)廠家都采取堆放處理，導(dǎo)致占用大量土地，對(duì)環(huán)境造成污染，同時(shí)也造成粉塵中所含的鋅、鐵、碳等資源的浪費(fèi)。

某鋼鐵廠高爐瓦斯泥含鋅4%～5%，含鐵＞40%。為了充分回收瓦斯泥中的鐵鋅資源，該廠用回轉(zhuǎn)窯處理高爐瓦斯泥。在焙燒過(guò)程中鋅等揮發(fā)點(diǎn)低的金屬形成蒸氣，鋅蒸氣被氧化形成氧化鋅，與其它粉塵一起收集成富含鋅的煙塵[1-3]。處理后的瓦斯泥為含鋅較低、含鐵較高的物料，可作為本廠燒結(jié)、造球的原料。焙燒得到的鋅煙灰中含鋅大于40%，是很好的煉鋅原料。如何經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)便地處理該煙灰，是回收利用瓦斯泥中鋅資源的關(guān)鍵問(wèn)題。本文采用氨-碳銨為浸出劑，研究了各因素對(duì)鋅煙灰浸出過(guò)程的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)所用原料取自某鋼鐵廠的含鋅煙塵，其化學(xué)成分見(jiàn)表1。鋅煙灰的粒度分析見(jiàn)表2。鋅煙灰粒度小于0.074 mm的占85%，粒度較細(xì)。經(jīng)X-射線衍射儀分析，其主要物相見(jiàn)圖1。鋅煙塵中的鋅主要以氧化鋅的形式存在，少量的鋅以鐵酸鋅的形式存在。

表1 鋅煙灰主要化學(xué)組成 %

表2 鋅煙灰粒度分布

圖1 鋅煙灰X-衍射圖譜

1.2 試驗(yàn)流程

圖2 NH3-NH4HCO3法浸出鋅煙灰試驗(yàn)流程圖

浸出試驗(yàn)采用兩段并流浸出，流程圖見(jiàn)圖2。每次實(shí)驗(yàn)加一定量的氨水到反應(yīng)燒瓶中，當(dāng)反應(yīng)溫度達(dá)到要求溫度時(shí)，按液固比加入一定量的物料，到達(dá)反應(yīng)時(shí)間后過(guò)濾，用EDTA法分析浸出液中Zn的濃度，計(jì)算Zn的浸出率。

1.3 試驗(yàn)原理

在氧化鋅晶格中離子鍵在整個(gè)鍵中占優(yōu)勢(shì)，因此氧化鋅較容易溶解在極性溶劑中。氨易溶于水中，并和水分子一樣具有相當(dāng)大的偶極距(μ=p+αE，μ為分子的總偶極距，p為永久偶極距，α極化系數(shù)，E為誘導(dǎo)電場(chǎng)強(qiáng)度)。氨的極化系數(shù)αNH3(2.21×10-24cm3)較水的極化系數(shù)αH2O(1.49×10-24cm3)大，因此在較強(qiáng)的電場(chǎng)作用下有可能使氨的總偶極矩大于水分子。而鋅的離子半徑小，電荷較多，具有較強(qiáng)的極化能力，能夠?qū)Ω鞣N負(fù)離子和偶極分子產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸引使之變形。由于鋅離子的電場(chǎng)強(qiáng)度E很大，由此產(chǎn)生的誘導(dǎo)偶極αE值也很大。這種情況下，氨分子的偶極矩超過(guò)水分子的偶極矩，從而導(dǎo)致鋅離子和氨分子的強(qiáng)烈吸引并牢固的結(jié)合在一起，形成鋅氨配合物[4-10]。浸出過(guò)程中，ZnO物料與NH3按下列反應(yīng)式發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生鋅配合物：

式中i=1，2，3，4。Cu、Cd、Co、Ni等元素溶解進(jìn)入溶液，F(xiàn)e、Mn、Pb等元素基本不溶解，留在渣中。在反應(yīng)過(guò)程中，加入碳酸氫銨會(huì)發(fā)生下列反應(yīng)：

加入碳酸氫銨可調(diào)節(jié)溶液的pH，使(1)式平衡強(qiáng)烈的向右移動(dòng)，同時(shí)也提供必要的碳酸根離子。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 總氨濃度對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：t=40 ℃，液固比為4∶1，NH3/NH4HCO3=2∶1，攪拌速度400 r/min。在3～9 mol/L總氨濃度范圍內(nèi)（分別為3.0 mol/L、4.5 mol/L、6.0 mol/L、7.5 mol/L、9mol/L），研究了總氨濃度對(duì)鋅浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

圖3 總氨濃度對(duì)鋅浸出率的影響

總氨濃度對(duì)鋅浸出率的影響非常顯著，鋅的浸出率隨著總氨濃度的增加而增加，但浸出速度隨氨濃度的增加而減小，浸出時(shí)間大于10 min后，鋅的浸出率受浸出時(shí)間的影響不大，浸出60 min，鋅的浸出基本達(dá)到平衡。由此可見(jiàn)，提高初始總氨濃度，鋅的瞬時(shí)浸出速度較快，在浸出后期鋅的浸出速率明顯降低，浸出時(shí)間并非越長(zhǎng)越好。

2.2 浸出溫度對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：總氨濃度為9.0 mol/L，液固比為4∶1，NH3/NH4HCO3=2∶1,攪拌速度400r/min。在20～80℃范圍內(nèi)（分別為20℃、30℃、40℃、60℃、80℃），研究了浸出溫度對(duì)鋅浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 浸出溫度對(duì)鋅浸出率的影響

溫度對(duì)鋅浸出率的影響比較明顯，當(dāng)浸出溫度從20℃上升到40℃時(shí)，鋅的浸出率隨溫度的升高而增大。但溫度在60℃和80℃時(shí)，鋅的浸出率在下降，浸出10 min后鋅的浸出率分別為78.4%和76.9%。當(dāng)浸出時(shí)間延長(zhǎng)到60 min時(shí)，鋅的浸出率只有80%和78.9%，比溫度在40℃時(shí)，分別減少4.3%和5.4%。這可能因?yàn)闇囟壬?，溶出的鋅離子水解反應(yīng)速度增大，從而使溶液中與氨配合的鋅離子的濃度呈下降趨勢(shì)。因此，在浸出過(guò)程中為了使浸出液中鋅達(dá)到較高的濃度，在可能的條件下采用較低的溫度。

2.3 浸出液初始pH對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：t=40℃，總氨濃度為9.0 mol/L，液固比為4∶1，攪拌速度400 r/min，浸出時(shí)間60 min。在pH=10.5～12.5（分別為 10.5、11、11.5、12、12.5）范圍內(nèi)，研究了浸出液的初始pH對(duì)鋅浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 浸出液的初始pH對(duì)鋅浸出率的影響

從圖5可以看出，鋅浸出率先隨pH值的升高而增大，后隨著pH值的繼續(xù)升高而減小。主要是因?yàn)殇\是兩性金屬，在堿性條件也能溶解，pH值較低不利于鋅溶解，但pH值過(guò)大會(huì)生成氫氧化鋅沉淀使鋅在溶液中的濃度下降。本文采取加入碳酸氫銨來(lái)調(diào)節(jié)溶液的pH值，在總氨濃度一定的條件下，調(diào)整氨和銨的比例，使浸出液的初始pH值在11.0～11.5，同時(shí)也為溶液提供必要的碳酸根離子。

2.4 攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：t=40℃、總氨濃度為9.0 mol/L，液固比為 4∶1，NH3/NH4HCO3=2∶1，浸出時(shí)間 60min。在攪拌速度100～800r/min范圍內(nèi)（分別為100r/min、200 r/min、400 r/min、600 r/min、800 r/min），研究了攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響

鋅浸出率隨攪拌速度的增加而增加，當(dāng)攪拌速度達(dá)到400 r/min，鋅的浸出率曲線比較平緩。因此選擇400 r/min比較合適。

2.5 液固比對(duì)鋅浸出率的影響

試驗(yàn)條件：t=40℃，總氨濃度為9.0 mol/L，NH3/NH4HCO3=2∶1，攪拌速度 400 r/min，浸出時(shí)間60 min。在液固比（4∶1）～（12∶1）范圍內(nèi)，研究了液固比對(duì)鋅浸出率的影響，結(jié)果見(jiàn)圖7。

鋅浸出率曲線隨液固比的增加比較平緩。當(dāng)液固比從4∶1增加到12∶1時(shí)，鋅的浸出率僅增加了1.5%。液固比增加使浸出中鋅的濃度降低。在沉鋅工藝中，溶液中鋅離子的濃度低，影響鋅的收率，且大量的氨揮發(fā)，不利于氨的循環(huán)利用。因此，選擇液固比為4∶1比較合適。

圖7 液固比對(duì)鋅浸出率的影響

2.6 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)上述條件實(shí)驗(yàn)確定的各影響因素的水平，以浸出總氨濃度、浸出溫度、浸出時(shí)間、液固比、氨銨比作為影響因子，每個(gè)因子選擇4水平，以鋅煙塵中鋅為主要參考指標(biāo)，進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)。選擇L16(45)，其因素水平如表3所示。

表3 正交實(shí)驗(yàn)因子水平表

按表3的因素水平進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)，并對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，結(jié)果見(jiàn)表4。

從表4可以看出，四因素影響的主次因素為ADBCE，即氨濃度、浸出時(shí)間、氨銨比、液固比、反應(yīng)溫度。

3 結(jié)論

采用NH3-NH4HCO3為浸出劑，研究了浸出過(guò)程中各因素對(duì)鋅浸出的影響,發(fā)現(xiàn)氨濃度和浸出時(shí)間是主要影響因素。

通過(guò)正交試驗(yàn)，確定了各因素對(duì)鋅煙灰浸出影響程度。提出了NH3-NH4HCO3-H2O體系分解浸出鋅煙灰的較優(yōu)條件，即總氨濃度9.0 mol/L，浸出溫度40℃，浸出液初始pH值11.0～11.5，攪拌速度400 r/min以及液固比為4∶1，浸出時(shí)間60 min。在此條件下，鋅的浸出率為84%。

表4 正交分析

[1]王東彥.含鋅鉛鋼鐵廠粉塵處理技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)分析[J].鋼鐵,1998,33(1):65-68.

[2]朱為民.煉鐵高爐煙塵中鋅煙塵的綜合利用試驗(yàn)研究[J].礦產(chǎn)保護(hù)與利用,2007,(4):49-51.

[3]徐修生,陳 平.高爐瓦斯灰中鋅元素回收的研究[J].礦業(yè)快報(bào),2002,10(10):3-4.

[4]彭清靜,黃 誠(chéng).氨浸法菱鋅礦制活性氧化鋅[J],化學(xué)世界,1996,37(6):294-296.

[5]劉健,苗則生,高 翔,李曉明.氨浸法從菱鋅礦直接提取活性氧化鋅.有色金屬(冶煉部分),1993,(3):25-26.

[6]唐謨堂,魯君樂(lè),袁延勝等.Zn(Ⅱ)-NH3-(NH4)2SO4-H2O體系熱力學(xué)研究[J].中南礦冶學(xué)院學(xué)報(bào)，1994,25(6):701-705.

[7]歐陽(yáng)民,唐謨堂.Zn(Ⅱ)-NH3-(NH4)2CO3-H2O系熱力學(xué)平衡研究[C].第5屆全國(guó)鉛鋅會(huì)議論文集,南寧:1995,9.

[8]楊國(guó)華.氨水·碳銨聯(lián)合法浸取絡(luò)合制備高純度活性氧化鋅方法[P].中國(guó)專(zhuān)利：CN00112249.5,2000.

[9]趙明蕊.氨配合法制備活性氧化鋅工藝條件研究[D].河南：鄭州大學(xué),2004.

[10]王瑞祥,唐謨堂,劉維等.NH3-NH4Cl-H2O體系浸出低品位氧化鋅礦制取電鋅[J].過(guò)程工程學(xué)報(bào),2008,8(增刊1):219-222.

Abstract:The influence factors on zinc leaching were studied in NH3-NH4HCO3-H2O system with zinc ash from steel plant as raw materials.The experimental results showed that the dominant impact factors on zinc leaching rate is ammonia concentration and leaching time.The optimal processing conditions are as following：the ammo?nia concentration is 9.0 mol/L,the temperature is 40℃,the original pH of leached solution is 11.0～11.5,the stirring speed is 400rpm,the ratio of liquid to solid is 4:1 and the holding time is 1 hour.

Key words:zinc ash；NH3-NH4HCO3-H2O system；ammonia-ammonium leaching

Leaching zinc from zinc ash of steel plant in the system of NH3-NH4HCO3-H2O

LI Hong-chao,OUYANG Cheng,WANG Zhong-bing,XI Xue-kang

TF813.04

B

1672-6103（2011）02-0064-04

李紅超，男，河北石家莊人，碩士研究生，主要從事濕法冶金工藝研究。

2010-11-11