熱鍍鋅渣中浸渣硫酸浸出鋅的工藝研究①

伍永國(guó)， 顏文斌， 劉海宇， 李紅湘， 陳藍(lán)艷

（1.吉首大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，湖南 吉首416000； 2.礦物清潔生產(chǎn)與綠色功能材料開(kāi)發(fā)湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 吉首416000； 3.化學(xué)國(guó)家級(jí)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心（吉首大學(xué)），湖南 吉首416000）

熱鍍鋅渣是鋼鐵廠鋼鐵鍍鋅過(guò)程中產(chǎn)生的Zn、O、Fe、Al 的復(fù)雜化合物浮渣［1-2］，其中鋅含量通常高達(dá)94%～96%，是一種回收價(jià)值較高的二次鋅資源［3］。熱鍍鋅渣經(jīng)中性浸出后，其中的氧化鋅基本浸出，但仍有20%左右的鋅未浸出。 一般鋅冶煉中浸渣中鋅主要為鐵酸鋅和鋁酸鋅，常規(guī)濕法浸出鋅的浸出率低于90%［4-7］。 火法工藝存在能耗高、設(shè)備維護(hù)耗費(fèi)大等缺點(diǎn)［8-10］。 故鋅冶煉中浸渣通常作為水泥廠制水泥的原料或者堆放處理，造成環(huán)境污染和鋅資源的浪費(fèi)［11-12］。 為實(shí)現(xiàn)鋅渣的綜合利用，本文采用硫酸浸出法處理熱鍍鋅渣中浸渣。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

熱鍍鋅渣中浸渣取自于湖南懷化某企業(yè)，主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，XRD 物相分析結(jié)果見(jiàn)圖1。 中浸渣鋅含量為17.22%，其他主要元素為鋁、鐵和鈣，主要物相為ZnAl2O4和Fe2O3，鋅主要以鋁酸鋅的形式存在，屬于難浸出渣。

表1 中浸渣主要化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

圖1 中浸渣XRD 圖譜

1.2 實(shí)驗(yàn)儀器與試劑

實(shí)驗(yàn)儀器包括JTXJ-PPL 水熱壓反應(yīng)釜（東臺(tái)市吉泰不銹鋼制品廠）、X-射線衍射儀（Y-2000 型，丹東奧龍射線儀器公司）、SHB-III 循環(huán)水真空泵（鄭州長(zhǎng)城科工貿(mào)有限公司）和手持式X 熒光分析儀（天瑞儀器有限公司）。

實(shí)驗(yàn)試劑為98%濃硫酸。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將烘干的浸出渣經(jīng)研磨后，稱取10 g 樣品，按一定的液固比加入配置好的硫酸溶液，放置在水熱反應(yīng)釜中，用鼓風(fēng)干燥箱進(jìn)行加熱，浸出一定時(shí)間后取出，抽濾，將濾渣烘干、稱重。 采用國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)法［13］測(cè)定浸出渣中的鋅含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫酸濃度對(duì)浸出的影響

由于鋁酸鋅在常溫酸性條件下難以溶解，故選擇在溫度160 ℃、浸出時(shí)間4 h、液固比6 ∶1（mL/g）的條件下進(jìn)行硫酸體積濃度條件實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖2 所示。由圖2 可知，鋅浸出率隨硫酸濃度增加而升高，硫酸濃度達(dá)到12.5%時(shí)，浸出率升高明顯，硫酸濃度大于15%后，鋅浸出率增速減緩。綜合考慮，選擇合適的硫酸體積濃度為15%。

圖2 硫酸濃度對(duì)鋅浸出率的影響

2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)浸出的影響

硫酸濃度15%，其他條件不變，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出的影響如圖3 所示。 由圖3 可知，隨著浸出時(shí)間增加，鋅浸出率迅速增高，當(dāng)時(shí)間達(dá)到6 h 后，隨著反應(yīng)的不斷進(jìn)行，硫酸濃度不斷降低，浸出率增長(zhǎng)緩慢。 故選擇浸出時(shí)間為6 h，此時(shí)鋅浸出率為96.78%。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響

2.3 溫度對(duì)浸出的影響

浸出時(shí)間6 h，其他條件不變，溫度對(duì)浸出的影響如圖4 所示。 由圖4 可知，鋅浸出率隨溫度升高而增高。 溫度達(dá)到160 ℃后繼續(xù)升溫，鋅浸出率增幅不大。故選擇浸出溫度為160 ℃。

圖4 溫度對(duì)鋅浸出率的影響

2.4 液固比對(duì)浸出的影響

浸出溫度160 ℃，其他條件不變，液固比對(duì)浸出的影響如圖5 所示。 由圖5 可知，隨著液固比增加，鋅浸出率逐漸升高。 在液固比6 ∶1時(shí)，鋅浸出率達(dá)到96.88%。

2.5 正交實(shí)驗(yàn)

根據(jù)單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選定在液固比6 ∶1的條件進(jìn)行3 因素3 水平正交實(shí)驗(yàn)，分析浸出時(shí)間、溫度和硫酸濃度對(duì)鋅浸出率的影響。 正交實(shí)驗(yàn)因素水平見(jiàn)表2，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

圖5 液固比對(duì)鋅浸出率的影響

表2 L9（33）正交實(shí)驗(yàn)表

表3 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由表3 可知，各因素對(duì)鋅浸出率的影響由小到大依次為：浸出時(shí)間＜浸出溫度＜硫酸濃度，最優(yōu)的浸出條件為A3B1C3，即：浸出時(shí)間6 h，溫度180 ℃，硫酸濃度15%，液固比6 ∶1，該條件下鋅浸出率達(dá)到99.71%。

2.6 浸出渣分析

對(duì)最優(yōu)條件下所得浸出渣進(jìn)行元素分析和物相檢測(cè)，結(jié)果分別見(jiàn)表4 和圖6。 由表4 和圖6 可知，浸出渣中主要元素為Al 和S，主要物相為（H3O）Al3（SO4）2-（OH）6和CaSO4，未見(jiàn)鋁酸鋅的峰，說(shuō)明鋁酸鋅被完全分解，鋅被溶出，鋁以硫酸鹽的形式進(jìn)入渣中。

表4 浸出渣中主要元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）/%

圖6 浸出渣XRD 圖譜

3 結(jié) 論

1） 熱鍍鋅渣中浸渣的主要物相為鋁酸鋅和氧化鐵，鋅以鋁酸鋅的形式存在。

2） 在硫酸濃度15%、溫度180 ℃、浸出時(shí)間6 h、液固比6 ∶1的條件下，鋅浸出率達(dá)到99.71%，解決了常溫下鋁酸鋅渣浸出率低、過(guò)濾難的問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)鋅資源的充分利用。