基于氨配合法的煙道灰制備活性氧化鋅工藝試驗研究*

錢 波，高 益

(1.西昌學院，四川 西昌 615013；2.西昌宏鑫實業有限公司，四川 西昌 615000)

基于氨配合法的煙道灰制備活性氧化鋅工藝試驗研究*

錢 波1，高 益2

(1.西昌學院，四川 西昌 615013；2.西昌宏鑫實業有限公司，四川 西昌 615000)

將氧化鋅煙道灰通過提煉回收為活性氧化鋅，能減少污染環境和充分利用資源。基于氨配合法，以浸取率為目標，以氨水、碳酸氫銨、過氧化氫、反應溫度、反應時間、攪拌速度為基本因素，采用單因素試驗和正交多因素試驗結合，通過頻率尋優研究了各因素對浸取率的影響。研究表明：在反應溫度為38.6℃～48.1℃、攪拌速度為377～446 r.min-1、氨水用量為130.8～142.6mL、過氧化氫用量為5.26～6.0mL、反應時間l.3～2.7h、碳酸氫銨用量28.3～38.3g時，浸取率可達到91.0％以上。

氧化鋅煙道灰；活性氧化鋅；氨配合法；浸取率；試驗；頻率尋優

在鋅礦焙燒加工過程形成的粉塵氧化鋅煙道灰，若不進行回收直接排放，不僅污染環境，而且造成資源浪費。將煙道灰提煉加工可生產出活性氧化鋅。活性氧化鋅具有獨特的物理、化學性能，廣泛應用于化工、醫衛、、電子等領域[1]。隨著工業的發展，對活性氧化鋅的需求日益增加和廣泛應用；同時隨著科學技術的發展，煙道灰制備生產高性能的活性氧化鋅的技術不斷發展，研究具有實際意義。

提煉活性氧化鋅主要方法有有機化合物堿性還原法、草酸分解法、堿法、添加甲醇和水玻璃法、大比表面積活性氧化鋅制造法、碳酸鈉法和碳酸氫銨法。我國普遍采用酸浸法和氨配合法加工生產氧化鋅，酸浸法工藝復雜、廢水量大、污染嚴重、成本高，所以逐漸被氨配合法取代的趨勢[2]。基于氨配合法，以浸取率為目標，選用反應溫度、攪拌速度、反應時間、碳酸氫氨用量、過氧化氫用量、氨水用量等因素進行單因素試驗和正交試驗，研究最優工藝條件。

1 試驗方法

每次試驗取鋅煙道灰50g，以氨水、碳酸氫銨、過氧化氫、反應溫度、反應時間、攪拌速度為基本因素，分單因素試驗和正交試驗，進行試驗溶液配制。試驗溶液在恒溫水浴鍋內通過電動攪拌器攪拌進行后，采用EDTA容量測定法測定浸取率。每組試驗5次，分別取平均值作為測定浸取率后，然后進行試驗優選分析。

2 單因素優選試驗結果及分析

每次試驗取鋅煙道灰50g、氨水130mL、碳酸氫銨30g、過氧化氫5mL，以反應溫度40℃、反應時間1.5h、攪拌速度400 r.mim-1為基本條件[3,4]，固定其中5個因素、改變一個因素值，進行試驗溶液配制后測定試驗浸取率，并對試驗結果進行分析，確定各單因素對試驗結果的影響。

2.1 反應溫度對浸取率的影響

浸取時溫度升高，反應速率加快，由于氨水的沸點為60℃左右，所以浸取溫度不能高于氨水的沸點，因此浸取反應溫度選定為25℃、35℃、45℃、55℃、65℃進行單因素試驗，見圖1。

圖1 浸取率隨反應溫度的變化

可以看出，浸取率開始是隨著溫度的升高而逐漸提高，大約在45℃達到最高浸取率；隨著溫度的進一步升高溫度，氨的揮發使浸取率下降。因此為提高浸取率，考慮反應速度的同時，應盡量采用較低的溫度，反應溫度取40℃為宜。

2.2 攪拌速度對浸取率的影響

浸取反應攪拌速度選定為200 r.min-1、300 r.min-1、400 r.min-1、500 r.min-1、600 r.min-1進行單因素試驗，見圖2。

圖2 浸取率隨攪拌速度的變化

由于浸出過程的化學作用在固相與液相交界面上進行，故隨著反應的進行必然會在被溶解的固體表面上形成一層薄的飽和溶液層，使反應速度變慢。可以看出，增大攪拌速度，可以破壞該飽和溶液層而加快反應。由于固體與飽和層的慣性不同，使擴散層減薄，顆粒帶著極薄的擴散層進入新的溶劑層，但不能破壞固體與飽和液層之間的附著力，因此不能完全消除擴散層，隨攪拌速度增加對溶解速度的作用就不大，取400 r.min-1為宜。

2.3 反應時間對浸取率的影響

浸取反應時間選定為0.5h、1.0h、1.5h、2.0h、2.5h進行單因素試驗，見圖3。

圖3 浸取率隨反應時間的變化

可以看出，反應速度隨著攪拌時間開始時增加較快，1.5h后浸取率隨攪拌時間增長而增加很少。攪拌時間并非越長越好，時間越長浸出率沒有太大提高，而浸取液中的雜質會升高。浸取時間為1.5～2h為宜。

2.4 氨水用量對浸取率的影響

浸取反應氨水用量選定為100mL、120mL、140mL、160mL、180mL進行單因素試驗，見圖4。

圖4 浸取率隨氨水用量的變化

可以看出，氨水作為浸取劑，在鋅量一定的情況下，增大氨水用量有利于鋅離子的浸出，使反應加速。但過量氨水的用量，浸取率提高不大，而且勢必造成原料的浪費，增加后序工作負荷。氨水用量以130～140mL為宜。

2.5 碳酸氫銨用量對浸取率的影響

浸取反應碳酸氫銨用量選定為10g、20g、30g、40g、50g進行單因素試驗，見圖5。

圖5 浸取率隨碳酸氫銨用量的變化

可以看出，加入碳酸氫銨可使氨水浸出的鋅銨配離子與碳酸根離子結合，有利于鋅的浸出。碳酸氫銨用量小時氨量不足，影響鋅的浸出；用量過大，浸取率提高不大，而且勢必造成原料的浪費，增加后序工作負荷。碳酸氫銨用量以30～40g為宜。

2.6 過氧化氫加入量對浸取率的影響

浸取反應過氧化氫用量選定為1.5mL、3.5mL、5.5mL、7.5mL、9.5mL進行單因素試驗，見圖6。

圖6 浸取率隨過氧化氫用量的變化

在氧化硫化鋅除雜過程中，除硫的效率取決于氧化劑的氧化能力、濃度及用量，所以試驗選用純的過氧化氫；又由于過氧化氫為強氧化劑，加入量多可使硫化物氧化進入溶液，除雜任務加大，且因H2O2易引爆存在安全性隱患；加入量少不能完全氧化ZnS，理論上可取硫化物含量的120％。合適的量為5～6mL。

3 正交試驗及結果分析

在影響煙道灰浸取率的因素中，選定氨水、碳酸氫銨、過氧化氫、反應溫度、反應時間、攪拌速度6因素進行正交試驗，以初步判斷各因素對浸取率的影響。因素水平編碼見表1、試驗結果見表2。

表1 因素水平編碼表

?

表2 正交試驗結果表

基于最小二乘法、考慮因素的交互作用，可得浸取率與各因素關系的回歸模型y(·)為：

結合式(1)對浸取率為91％以上[5]，用頻率統計選優的方法，每個因素取5個水平：±1，0，由式(1)通過計算機編程，對3×3×3×3×3×3=729個樣本進行頻率尋優[6]，見表3。

表3 浸取率的頻率分析

試驗頻率分析結果表明：在反應溫度為38.6℃～48.1℃、攪拌速度為377～446 r.min-1、氨水用量為130.8～142.6mL、過氧化氫用量為5.26～6.0mL、反應時間l.3～2.7h、碳酸氫銨用量28.3～38.3g時，浸取率可達到91.0％以上。

4 結語

（1）采用氨配合法將氧化鋅煙道灰通過提煉回收為活性氧化鋅，不僅工藝簡單、成本低、減少對污染的環境，還能充分利用資源，具有可持續發展的重大意義。

（2）基于氨配合法，以浸取率為目標，采用單因素試驗和正交多因素試驗結合，能最好地優化生產工藝、確定最佳的浸取條件。

（3）實際生產中最佳的工藝條件，還應考慮后續蒸氨與煅燒等產品生產工藝相結合。

注釋及參考文獻：

[1]陳為亮,李秋霞,宋寧,等.氨配合法制備活性氧化鋅的研究[J].云南大學學報(自然科學版),2007,29(3)：291-296.

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

[3]閆金龍,郭小華,王保安.氨浸取粗氧化鋅粉中鋅的工藝研究[J].廣州化學,2012,37(4):31-36.

[4]蔣崇文,羅藝,鐘宏.低品位氧化鋅礦氨-碳酸氫銨浸出制備氧化鋅工藝的研究[J].精細化工中間體，2010,40(3):53-56,59.

[5]HG/T2572-2012中華人民共和國化工行業標準:活性氧化鋅[S].

[6]錢波.基于頻率尋優的路面透水混凝土關鍵因素研究[J].混凝土,2012(1):39-42,45.

Technical Test Study of Active Zinc Oxide from Zinc Oxide Flue Dust by Ammonia Complex Method

QIAN Bo，GAO Yi
(1.Xichang College，Xichang，Sichuan 615013；2.Xichang Hongxing Industrial Limited Company，Xichang，Sichuan 615013)

It can reduce environment pollution and make full use of resources to refine and recycle of active zinc oxide from zinc oxide flue dust.In accordance with ammonia complex method and leaching rate,this paper studied 6 factors influence on leaching rate,which factors included ammonia,ammonium hydrogen carbonate,hydrogen peroxide,reaction temperature,reaction time and stirring speed.The frequency optimization research shows that leaching rate can reach 91.0％in the condition of 38.6℃～48.1℃reaction temperature,377～446 r.min-1stirring speed,130.8～142.6mL ammonia,5.26～6.0mL hydrogen peroxid,l.3～2.7h reaction temperature,28.3～38.3g ammonium hydrogen carbonate.

zinc oxide flue dust；active zinc oxide；ammonia complex method;leaching rate；experiment frequency optimization

TQ132.4；X781

A

1673-1891（2015）02-0032-03

2015-04-07

四川省科技計劃項目“氧化鋅煙灰制備活性氧化鋅新技術研究應用”(項目編號：2014ZYZF0060)。

錢波（1969-），男，湖北大悟人，教授，主要從事土木工程專業和水利水電工程專業的教學和科研工作。