從瓦斯灰中堿浸鋅及其動力學研究

毛 磊，楊寶滋，朱小濤，李肖肖

（冶金礦產資源高效利用與造塊湖北省重點實驗室，武漢科技大學 化學工程與技術學院，湖北 武漢 430081）

高爐冶煉過程中，隨高爐煤氣帶出的原料粉塵及高溫區化學反應產生的微粒經干法或濕法除塵后形成大量瓦斯灰（泥）。瓦斯灰（泥）的主要成分是氧化鐵和碳，也含有少量鋅、鉍、銦和鉛等有色金屬元素［1-3］。從瓦斯灰（泥）中提取鋅可以降低瓦斯灰（泥）返回時對高爐冶煉的危害［3］。從瓦斯灰（泥）中回收鋅的方法有濕法和火法。火法［4-5］的特點是鋅回收率高，但設備投資大。濕法［6-9］一般采用酸、堿或氨鹽溶液浸出分離鋅，但鋅浸出率總體較低。因此，開發簡便、靈活、高效、低成本的冶金技術有重要意義［10-11］。針對湖南某冶煉廠的高爐瓦斯灰，研究了用堿浸出鋅，并分析了堿浸過程動力學。

1 鋅浸出過程熱力學分析

298K條件下反應吉布斯自由能ΔG＝-365．40 kJ／mol。

2 試驗部分

2．1 試驗原料及主要儀器

試驗所用瓦斯灰取自湖南湘潭某冶煉廠，其中鋅品位為0．9%［14］。

主要儀器有JJ-1精密電動攪拌器，TG16-Ⅱ智能臺式高速離心機。

2．2 試驗方法

將瓦斯灰和一定濃度氫氧化鈉溶液按一定質量體積配比，在一定溫度下混合攪拌一定時間，然后用臺式離心機在5 000r／min轉速下離心分離10 min，上清液定容分析鋅質量濃度，計算鋅浸出率。

2．3 鋅的測定

浸出液中的鋅采用EDTA滴定法測定［14］。

3 試驗結果及討論

3．1 攪拌速度對鋅浸出率的影響

在NaOH濃度6mol／L、浸出溫度80℃、反應時間60min、固液質量體積比1∶10條件下，攪拌速度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖1所示。可以看出，在一定范圍內，隨攪拌速度升高，鋅浸出率提高。攪拌速度增大，液膜內傳質擴散速度增大，液膜阻力降低，有利于鋅的浸出；攪拌速度達600 r／min后，再繼續提高攪拌速度，固體表面擴散層和固體與飽和液層之間附著力的破壞作用影響較小，對浸出反應影響較小：所以，攪拌速度以控制在600r／min以內為宜。

圖1 攪拌速度對鋅浸出率的影響

3．2 反應時間對鋅浸出率的影響

在NaOH濃度6mol／L、浸出溫度80℃、攪拌速度600r／min、固液質量體積比1∶10條件下，反應時間對鋅浸出率的影響試驗結果如圖2所示。可以看出，反應60min，浸出反應接近平衡，再延長浸出時間對鋅浸出率的提高影響不大。試驗確定適宜的堿浸時間為60min。

圖2 反應時間對鋅浸出率的影響

3．3 氫氧化鈉濃度對鋅浸出率的影響

反應時間60min，浸出溫度80℃，攪拌速度600r／min，固液質量體積比1∶10，氫氧化鈉濃度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖3所示。可以看出，隨氫氧化鈉濃度升高，鋅浸出率升高。但氫氧化鈉濃度較高時，溶液黏度增大，離子擴散速度降低，浸出效果減弱［15］，所以氫氧化鈉濃度不宜超過6mol／L。

圖3 氫氧化鈉濃度對鋅浸出率的影響

3．4 浸出溫度對鋅浸出率的影響

氫氧化鈉濃度6mol／L，反應時間60min，攪拌速度600r／min，固液質量體積比1∶10，溫度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 浸出溫度對鋅浸出率的影響

浸出溫度升高，一方面擴散系數增大，溶解速度加快；另一方面使反應活性增大，從而加快化學反應速率：故升高溫度可以加速浸出過程。從圖4看出：當溫度由20℃升高到80℃，鋅浸出率由39%升高到63%；但溫度繼續升高，對設備要求提高，生產成本增加，操作更加困難。所以，浸出溫度以不超過80℃為宜。

4 堿浸過程動力學

從瓦斯灰中浸出鋅的過程是浸出劑氫氧化鈉與固相瓦斯灰之間的復雜多相反應過程，動力學分析選用2種流固相非催化反應模型：縮芯模型和整體反應模型［16-17］。圖5為不同溫度下鋅浸出率隨時間的變化關系，NaOH濃度為5mol／L，攪拌速度為500r／min，固液質量體積比為1∶10。

圖5 不同溫度下鋅浸出率隨時間的變化關系

4．1 縮芯模型

浸出過程的縮芯模型可表示為

圖6 縮芯模型

4．2 整體反應模型

當孔隙擴散不可忽略時，整體反應模型可表示為

圖7 整體反應模型

比較圖6a、圖7a中各直線斜率所對應的兩個模型參數k′與k′′，整體反應模型的線性相關性較縮芯模型的更高。高爐瓦斯灰顆粒表面有孔隙［18-19］，顆粒內的擴散速率會影響整個浸出過程；兩種模型所得到的表觀活化能為24．6、36．0 kJ／mol，也表明氫氧化鈉浸出鋅的反應為化學反應及擴散混合動力學控制［17］。

5 結論

用氫氧化鈉從瓦斯灰中浸出鋅技術上是可行的。在NaOH濃度為6mol／L、固液質量體積比1∶10、浸出溫度80℃、反應時間60min、攪拌速度600r／min條件下，鋅浸出率為63%，浸出過程受化學反應與擴散混合控制。

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