空化作用下從硫酸鋅溶液中去除鎳、鈷試驗(yàn)研究

劉 瑜，楊大錦，劉俊場(chǎng)，李永剛，廖元雙，彭秋燕，付維琴，牟興兵

（1．昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院，云南 昆明 650051；2．昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

我國(guó)是世界上最大的鋅生產(chǎn)和消費(fèi)大國(guó)［1］，90%以上的鋅是采用濕法冶金工藝即焙燒—浸出—凈化—電積—熔鑄工藝生產(chǎn)的［2］，其中電積單元能耗最大，其次是硫酸鋅溶液凈化單元。

電解液組成及其中的雜質(zhì)對(duì)電積能耗影響很大［3-4］。通過(guò)優(yōu)化電解液組成、電積參數(shù)等可以實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，但降耗空間不大；用鋅粉凈化硫酸鋅溶液也可實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗，但在凈化除鎳、鈷過(guò)程中，鋅粉用量是理論量的100倍以上［5］，消耗很大。

試驗(yàn)研究了在空化作用下用鋅粉還原去除鎳、鈷，以降低硫酸鋅溶液凈化單元的鋅消耗量。

1 空化作用下的凈化過(guò)程

在硫酸鋅溶液中加入鋅粉可以去除鎳和鈷，反應(yīng)式為：

凈化過(guò)程中，溶液中的 Ni2＋和 Co2＋在鋅粉顆粒表面發(fā)生置換反應(yīng)，置換出的金屬Ni和Co以固態(tài)形式覆蓋在鋅粉顆粒表面。鋅粉置換過(guò)程示意圖如圖1所示。

在大量鎳、鈷覆蓋到鋅粉顆粒表面后，溶液中的Ni2＋和Co2＋須通過(guò)擴(kuò)散到達(dá)鋅粉表面后才能實(shí)現(xiàn)還原過(guò)程。還原形成的鎳、鈷金屬覆蓋層相對(duì)比較致密，導(dǎo)致Ni2＋和Co2＋擴(kuò)散到鋅粉表面的速度比較慢，從而導(dǎo)致還原時(shí)間加長(zhǎng)、鋅粉利用率降低。要減少鋅粉耗量必須使覆蓋在鋅粉顆粒表面上的鎳、鈷金屬脫離，使鋅粉顆粒表面裸露出來(lái)。

圖1 鋅粉置換過(guò)程示意圖

鋅粉還原鎳、鈷過(guò)程中，還原速度與速度常數(shù)和鎳、鈷離子濃度有關(guān)。對(duì)于鎳、鈷濃度一定的硫酸鋅溶液，還原速度則僅與速度常數(shù)有關(guān)，而速度常數(shù)與溫度有關(guān)，提高還原反應(yīng)溫度有利于提高鋅粉還原鎳和鈷的速度。

空化由超聲波在超高速和機(jī)械作用下形成。在超聲波形成的空化中，液體內(nèi)形成空化氣泡并長(zhǎng)大和崩滅，當(dāng)空化氣泡崩滅時(shí)產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)壓力脈沖，產(chǎn)生高達(dá)5 000K的高溫、大于200MPa的壓力、真空和時(shí)速達(dá)400km／h的射流所形成的剪切力［6］。高溫有利于加快鋅粉還原凈化速度，強(qiáng)大的剪切力有利于剝離鋅粉表面沉淀的鎳、鈷金屬層，從而使鋅粉表面裸露。

2 空化作用下從硫化鋅溶液中除鎳、鈷

空化作用下從硫酸鋅溶液中除鎳、鈷是基于傳統(tǒng)的除鎳、鈷工藝并輔助以空化作用。試驗(yàn)中均采用 Ni2＋＋Co2＋質(zhì)量濃度在40mg／L以上的溶液，為生產(chǎn)過(guò)程中的浸出液。采用傳統(tǒng)方法除鎳、鈷，鋅粉消耗量在3～6g／L之間，對(duì)于Zn2＋質(zhì)量濃度120g／L的溶液，僅除鎳、鈷的鋅粉消耗量即達(dá)37．5～75kg／t Zn。

所用鋅粉為電爐鋅粉，也為生產(chǎn)上使用的鋅粉，有效鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)約90%，其他如硫酸銅、銻氧粉等也為生產(chǎn)時(shí)使用的原料。

空化發(fā)生器為超聲波發(fā)生器，φ30mm×450 mm，頻率20～30kHz，功率1kW，凈化時(shí)的反應(yīng)器有效容積28L。

2．1 空化作用下溫度對(duì)鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋質(zhì)量濃度為123．1g／L，Ni2＋、Co2＋質(zhì)量濃度分別為7．5mg／L 和56．25 mg／L，空化作用時(shí)間20min，鋅粉用量2．38g／L。溫度對(duì)鎳、鈷去除率的影響如圖2所示。

圖2 空化作用下溫度對(duì)鎳、鈷去除率的影響

從圖2看出：溫度對(duì)鎳去除率影響不大；對(duì)Co去除率影響較大，隨溫度升高鈷去除率升高，在75～80℃時(shí)達(dá)最高值。與無(wú)空化作用時(shí)相比，溫度降低了10～15℃，說(shuō)明空化作用是明顯的。

2．2 空化作用時(shí)間對(duì)鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋質(zhì)量濃度為122．7g／L，含 Ni2＋和 Co2＋質(zhì)量濃度分別為12．5mg／L 和31．43mg／L，溫度75～80℃，空化作用時(shí)間對(duì)鎳、鈷去除率的影響如圖3所示。可以看出：鎳去除率與空化作用時(shí)間關(guān)系不明顯，空化作用10 min，Ni2＋去除率＞97%，而空化作用在40min后Ni2＋去除率反而有所降低，此為還原的金屬Ni有部分反溶導(dǎo)致；Co去除率隨空化作用時(shí)間延長(zhǎng)而提高，在30min時(shí)達(dá)到最大，在40min時(shí)出現(xiàn)明顯的下降。在適宜的鋅粉用量條件下，空化作用20～30min，鎳、鈷去除率均在97%以上。

圖3 空化作用時(shí)間對(duì)鎳、鈷去除率的影響

與無(wú)空化作用即傳統(tǒng)的Ni2＋和Co2＋脫除方法相比，脫除時(shí)間從60～180min下降到20～30 min，明顯縮短，設(shè)備效率大幅提高，保溫能耗大幅降低。

2．3 空化作用下鋅粉用量對(duì)鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋去除率質(zhì)量濃度122．7 g／L，Ni2＋和Co2＋質(zhì)量濃度分別為12．5mg／L和31．43mg／L，空化作用20min，溫度75～80℃，鋅粉用量對(duì)鎳、鈷去除率的影響如圖4所示。

圖4 空化作用下鋅粉用量對(duì)鎳和鈷除雜率影響

從圖3、4看出：隨鋅粉用量增加，Ni2＋去除率有微弱降低，Co2＋去除率有微弱增大。可見(jiàn)，在空化作用下，加入過(guò)量的鋅粉并沒(méi)有明顯提高Ni2＋、Co2＋去除率，反而增大了鋅粉消耗量。

在鋅粉用量為 Ni2＋＋Co2＋質(zhì)量30倍時(shí)，Ni2＋去除率為98%～99%，Co2＋去除率為96%～98%，對(duì)于 Ni2＋＋Co2＋含量相對(duì)較高的硫酸鋅溶液，凈化效果很好，基本滿足生產(chǎn)要求。

3 結(jié)論

在空化作用輔助下，用鋅粉還原凈化硫酸鋅溶液去除其中的 Ni2＋和Co2＋是有效的；適宜溫度為75～80℃，空化作用時(shí)間為20～30min，鋅粉用量為 Ni2＋＋Co2＋質(zhì)量的30～33倍?？栈饔孟拢娩\粉還原凈化硫酸鋅溶液，與傳統(tǒng)方法相比，溫度降低，時(shí)間縮短，鋅粉用量減少，能耗和加工成本大幅降低。

［1］王曄．2012年鋅市場(chǎng)回顧及2013年展望［J］．有色金屬工程，2013（1）：11-12．

［2］常成，刀海金，孫嘯飛，等．鋅電積電流效率影響因素的研究進(jìn)展［J］．中國(guó)有色冶金，2008（4）：74-80．

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［4］黃守義，張旭，包紅偉．從濕法煉鋅硫酸鹽溶液中去除鈷的試驗(yàn)［J］．濕法冶金，2010，29（1）：37-39．

［5］馬進(jìn)，陳利春，秦永宏．鋅粉置換除鈷的研究及運(yùn)用［J］．有色冶煉，2002（1）：30-32．

［6］張嬋，鄭爽英．超聲空化效應(yīng)及其應(yīng)用［J］．水資源與水工程學(xué)報(bào)，2009（1）：136-138．