合金鋅粉在鋅濕法冶煉銻鹽凈化工序中的應用

董 覺,唐愛勇,朱北平,竇傳龍

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

合金鋅粉在鋅濕法冶煉銻鹽凈化工序中的應用

董 覺,唐愛勇,朱北平,竇傳龍

(株洲冶煉集團股份有限公司,湖南株洲 412004)

文章以鋅濕法冶煉銻鹽凈化工序為基礎,對合金鋅粉與普通鋅粉在該工序中凈化除雜效果進行了對比試驗。試驗結果表明,合金鋅粉的采用可以大大提高除鈷鎳的效果,尤其是除鈷效率;同時,與普通鋅粉相比,合金鋅粉在保證凈化效果的前提下可以大幅度節約凈化鋅粉的用量,經濟效益明顯;合金鋅粉的最佳合金濃度一般為0.2%。

濕法煉鋅;凈化;鋅粉;合金

鋅濕法冶煉過程中,經過中性浸出流程后,產出硫酸鋅的中上清溶液,水解作用使Fe、As、Sb等雜質大部分得以除去,但溶液中仍殘存Cu、Cd、Co、Ni和小部分 Fe、As、Sb等雜質。在隨后的凈化工序中, Cu、Cd等雜質比較容易除去,而Co較難除去且易引起電解“燒板”,因而Co成為凈化工序的重點考察對象。

目前,大部分鋅冶煉企業利用鋅粉對硫酸鋅溶液進行深度凈化,應用最為廣泛的工藝有黃藥凈化法、砷鹽凈化法、銻鹽凈化法。黃藥凈化法的勞動條件比較惡劣、黃藥價格昂貴,已逐漸被其他方法取代;砷鹽凈化法因為生成砷化氫有毒氣體而必須在密閉容器內進行,對設備和操作要求嚴格;銻鹽凈化法設備簡單、操作環境較好,且銻鹽消耗少,因此在生產上具有較大優勢。

本試驗以銻鹽凈化工序為基礎,研究了合金鋅粉與普通鋅粉的凈化效果差別。

1 合金鋅粉凈化原理

中上清中的Cu、Cd、Ni比較容易除去,因此合金鋅粉與普通鋅粉在這方面的效果相似,兩者凈化能力的差別主要表現在除鈷方面。鋅粉除鈷是利用金屬Zn與Co的電位差將Co2+從溶液中置換出來,反應如下:

理論上鋅粉可以將Co徹底置換出來[1],但在實際生產中,鋅粉除Co比較困難,即使用理論量幾百倍的鋅粉也難以將Co除到鋅電解的要求。因為Co2+還原析出時具有較高的超電位|φCo|,并且置換反應速率十分緩慢,再加上鈷容易返溶,因而除鈷難度很大。生產中,常常添加銻鹽或砷鹽作活化劑,使Sb或As與Co形成多元合金化合物,加速置換反應的進行。

Zn與Co2+之間的置換反應,實質上是在鋅粉的表面發生了鋅與鈷的微電池反應。鋅的析出電位|φZn|與Co2+的析出電位|φCo|之間的差值是決定該反應的關鍵因素,|φZn|＞|φCo|且兩者差值越大,置換越容易進行。而陰極金屬對鈷的析出電位|φCo|有很大的影響。表1[2]給出了近似真實生產溶液的情況下不同溫度對應的|φZn|、|φCo|關系,表2[2]是作為電池反應的陰極金屬M對|φCo|的影響。

表1 |φZn|與|φCo|的比較([Zn2+]=170 g/L, [Co2+]=0.02 g/L)

表2 溫度、陰極金屬材料對|φCo|的影響

表1顯示了|φZn|＞|φCo|對應的各種情形,在這些條件下,Co2+均可被Zn粉置換出來。從表2的數據可以看出,在較高的溫度下Co2+在Co、Sb、Sn金屬上沉積的析出電位|φCo|比在Zn粉上沉積的析出電位|φCo|小得多,即溶液中的Co2+更易被鋅粉置換出來。

利用合金鋅粉凈化除Co便是基于以上原理。在純鋅中加入可以使|φCo|降低的合金元素,制成合金鋅粉,合金元素成為微電池反應的陰極,極大地促進Zn與Co2+之間置換反應的進行。此外,有文獻[3]報道,Pb等合金元素可以抑制Co的返溶,從而保證除鈷效率。合金鋅粉具有的降低Co析出電位、抑制返溶等多重作用,使其除鈷能力大大提高,從而在凈化除鈷方面具有廣泛的應用前景。

2 試 驗

2.1 試驗原料

試驗采用鋅冶煉中性浸出工序產出的中上清溶液為原料,進行銻鹽凈化工藝的三段凈化試驗。中上清的化學組分見表3。二段凈化時加入的銻鹽由酒石酸銻鉀配制而成,濃度為0.00 045 g/L。

凈化所用鋅粉為普通鋅粉和合金鋅粉,均為40目篩下鋅粉。其中普通鋅粉由純鋅錠噴吹制得,合金鋅粉主要有以下幾種:Zn-A、Zn-B、Zn-C、Zn-D、Zn-Cu、Zn-Fe,分別在純鋅中加入了不同合金濃度的A、B、C、D、Cu、Fe等金屬,然后制備成合金鋅粉。

表3 中上清化學組分 g/L

2.2 試驗方法

將1 L中上清加熱到70℃后,加入1 g普通鋅粉,在350 r/min的速度下攪拌1 h,過濾得到一段凈化后液;將一段凈化后液加熱到85℃,加入10 mL的酒石酸銻鉀溶液和4.5 g的試驗鋅粉,在350 r/min的速度下攪拌2 h,過濾,得到鈷鎳渣和二段凈化后液;將二段凈化后液加熱到70℃,加入1 g普通鋅粉,在350 r/min的速度下攪拌1 h,過濾得到新液。

3 結果與討論

3.1 合金元素對凈化效果的影響

對中上清進行三段凈化后,產出新液。普通鋅粉以及Zn-A、Zn-B、Zn-C、Zn-D、Zn-Cu、Zn-Fe等合金鋅粉對應的新液中雜質元素含量見表4。以上各種合金鋅粉的合金濃度均為0.2%。

表4 各種鋅粉凈化對應的新液雜質含量 g/L

由表4中新液情況可以明顯看出,Cu、Cd、Ge、Sb在各新液中的含量差別不大,均能達到鋅電解要求,新液含Ni有輕微差別,含Co差別最為明顯?？梢?不同鋅粉的除Co效果差別明顯。與普通鋅粉相比,Zn-Cu的除鈷結果明顯不符合要求,Zn-Fe稍差,但勉強可以達到鋅電解要求,Zn-A、Zn-B、Zn -C、Zn-D等合金鋅粉具有明顯的除鈷優勢,可以將新液中的鈷含量降低至0.000 3～0.000 4 g/L左右。

3.2 鋅粉用量對凈化除鈷的影響

試驗進一步選用了Zn-A、Zn-B、Zn-C、Zn-D等凈化效果佳的合金鋅粉,在同樣的工藝條件下,減少二段凈化使用的鋅粉量,考察其除鈷效果的差別。試驗結果列于表5。

表5 不同鋅粉用量對除鈷效果的影響

從表5可以看出,將鋅粉的用量從4.5 g/L減少至3 g/L,即減少1/3之后,Zn-A和普通鋅粉的除鈷效果明顯變差,產出的新液含鈷偏高,不符合鋅電解工序的要求;合金鋅粉Zn-B、Zn-C、Zn-D的除鈷效果僅有輕微減弱,仍能夠保持很高的除鈷率,新液含鈷可以控制在0.000 4～0.000 5 g/L左右?？梢?在純鋅中加入B、C、D這三種金屬元素可以有效地保證硫酸鋅溶液的除鈷率,同時還能夠大幅度降低鋅粉的用量,具有顯著的經濟效益。

3.3 合金濃度對凈化除鈷的影響

試驗選取了Zn-B、Zn-C、Zn-D三類合金鋅粉,在二段除鈷鎳鋅粉用量為4.5 g/L的條件下,考察合金濃度對除鈷效果的影響,具體結果列于表6。

表6 合金濃度對除鈷效果的影響

從表6的新液含Co數據可以看出,三類合金鋅粉的除鈷效果與合金濃度之間的關系存在一定差異。Zn-B、Zn-C的合金最佳添加濃度均是0.2%,合金濃度超過0.2%之后,C濃度繼續增大除鈷效果變化不明顯,B濃度的增大反而引起除鈷效果變差。合金D的濃度從0.1%增加到0.3%,新液含Co從0.000 7 g/L降低至0.000 37 g/L,除鈷效果不斷增強,但綜合考慮到成本問題,0.2%合金濃度的Zn-D即可很好地滿足除鈷要求。

4 結 論

1.采用合金鋅粉進行銻鹽凈化時,合金元素對凈化除鈷有很大影響。與普通純鋅粉相比,合金元素A、B、C、D可以大大提高凈化除鈷的效果,而Fe的除鈷促進作用不明顯,Cu反而不利于除鈷。

2.合金鋅粉不但能大大提高除鈷率,而且能大幅度降低鋅粉用量。特別是在鋅粉中加入B、C、D這三種合金元素,保證同等除鈷效果的前提下可以減少1/3用量的鋅粉,經濟效益十分明顯。

3.合金濃度對除鈷效果有較大的影響。各種鋅粉的合金濃度影響規律存在一定差異,但均存在一個最佳合金濃度。由此,優選出Zn-0.2%B、Zn -0.2%C、Zn-0.2%D三種除鈷效果佳、成本低的合金鋅粉。

4.Zn-0.2%B、Zn-0.2%C、Zn-0.2%D三種合金鋅粉已經經過除鈷鎳中試試驗,除鈷鎳效果良好,產出的新液均能達到電解要求。綜合考慮生產成本問題,在三種合金鋅粉中,擬優選Zn-0.2%D正式應用于鋅冶煉凈化生產中。

[1] 梅光貴,王德潤,周敬元,等.濕法煉鋅學[M].長沙:中南大學出版社,2001.280-299.

[2] 《鉛鋅冶金學》編委會.鉛鋅冶金學[M].北京:科學出版社, 2003.382-384.

[3] 馬春來.Pb-Zn合金鋅粉用于電解鋅凈化除鈷的研究[J].有色礦冶,2006,22(6):30-33.

The Application of Zinc Alloy Powder in the Antimonate Trioxide Process of Zinc Hydrometallurgy

DONGJue,TANGAi-yong,ZHU Bei-ping,DOU Chuan-long
(Zhuzhou S melter Group Co.Ltd,Zhuzhou412004,China)

Experiments on comparing the differencesof purification effects between zinc alloy powder and commom zinc powder in the process of antimonate trioxide were carried out.The experiments showed that,the adoption of zinc alloy powder could improve the purification effects greatly,and it was especially beneficial to the removal of cobalt.The zinc alloy powder could also save the amount of zinc powder used in the processof cobalt and nickel removal with antimony purification,which brought low-cost and remarkable economic benefits.0.2%was the optimum dosage of alloying elements in the zinc alloy powder.

zinc hydrometallurgy;purification;zinc powder;alloy

TF813

A

1003-5540(2011)02-0022-03

董 覺(1983-),女,碩士,主要從事有色金屬冶煉工藝、新產品開發和資源綜合利用等方面的工作。

2011-02-26