用堿從低品位氧化鋅礦石中浸出鋅

袁 杰，熊順龍，吳興敏，龐 林

(六盤水師范學院，貴州 六盤水 553004)

試驗研究了用氫氧化鈉浸出低品位氧化鋅礦石的反應機制和反應過程熱力學，分析多種含鋅物相在不同pH條件下的離子分散度，并進行了綜合試驗驗證，以期為低品位氧化鋅礦石堿浸處理提供參考信息。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗用低品位氧化鋅礦石取自云南某冶煉廠，元素分析結果見表1，物相分析結果見表2。礦石經破碎、粉磨后過100目篩，并在真空烘箱中于105 ℃下烘干，備用。

表1 氧化鋅礦石的元素分析結果 %

表2 原料中鋅物相分析結果 %

氫氧化鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司；水，自制去離子水。

1.2 試驗方法

用氫氧化鈉加去離子水配制成一定濃度堿液，堿液與氧化鋅礦石粉料按恒定液固體積質量比10/1置于塑料燒杯中攪拌混合；反應過程中燒杯放在電磁攪拌恒溫水浴鍋(DF-101Z/D型，力辰科技)中加熱。反應后過濾，濾液中鋅離子質量濃度用火焰原子吸收法測定。鋅浸出率計算公式為

(1)

式中：η—鋅浸出率，%；ρ—浸出液中鋅離子質量濃度，g/L；V—浸出液體積，L；m—礦石質量，g；w—礦石中鋅質量分數，%。

2 試驗結果與討論

2.1 堿浸反應熱力學

氧化鋅礦石中的主要含鋅物相有ZnO、ZnCO3、 Zn2SiO4·2H2O。為了明確鋅化合物在NaOH溶液中可能發生的化學反應，以及反應產生的不同物種在溶液中的分布規律，選擇lgα-pH進行表征，α為離子分布率。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據電算-指數方程法，離子濃度表達通式為

[R] =exp(A+B·pH)。

(9)

式中：R—離子或物種；A—常數，由反應式平衡常數求得；B—配合物得失質子數與ln10的乘積。反應式(2)～(8)中各離子或物種的電算指數常數見表3。

表3 各離子或物種的電算指數常數

對于Zn(Ⅱ)-H2O體系，反應式(2)～(8)中鋅物相濃度表達式為：

[Zn2+]=exp(25.324-4.606pH)；

(10)

(11)

(12)

[Zn(OH)+]=exp(2.990-2.303pH)；

(13)

[Zn(OH)2(aq)]=exp(-9.619)；

(14)

(15)

(16)

根據質量守恒定律，溶液中的鋅濃度計算公式為

(17)

根據式(10)～(17)，繪制Zn(Ⅱ)-H2O體系離子濃度的分布曲線，如圖1所示。

圖1 Zn(Ⅱ)-H2O體系離子濃度的分布曲線

(18)

(19)

同理，可得出ZnCO3、Zn2SiO4·2H2O在NaOH溶液中發生的化學反應為：

(20)

(21)

(22)

(23)

2.2 從低品位礦石中堿浸鋅

2.2.1 反應溫度對鋅浸出的影響

浸出氧化鋅礦石粉質量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL，恒溫水浴鍋加熱，初始堿濃度3 mol/L，電磁攪拌速度400 r/min，反應時間180 min，溫度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 反應溫度對鋅浸出率的影響

由圖2看出，隨反應溫度升高，鋅浸出率提高。溫度升高，體系黏度降低，溶液中粒子活性增大，布朗運動增強，粒子擴散速度增大，有利于鋅化合物在氫氧化鈉溶液中的溶解；溫度升高，會有效改善反應體系的動力學條件，反應物接觸概率增大，有效加快反應速度，從而實現礦料中鋅的溶解浸出。利用軟件HSC Chemistry對反應式(18)～(23)的lgK-T進行計算，可以得出：隨溫度升高，反應平衡常數均呈增大趨勢，說明溫度對6個反應均具有促進作用；軟件熱力學計算結果與試驗結果相吻合。綜合考慮，確定65 ℃為鋅浸出反應適宜溫度。

2.2.2 反應時間對鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應溫度65 ℃，初始堿濃度3 mol/L，電磁攪拌速度400 r/min，反應時間對鋅浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 反應時間對鋅浸出率的影響

由圖3看出，鋅浸出率隨反應時間延長而提高，從30 min時的65.33%緩慢提高到120 min時的89.32%，而后趨于穩定。適當延長反應時間，有利于反應正向進行得更徹底，綜合考慮，確定適宜反應時間為120 min。

2.2.3 初始堿濃度對鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應溫度65 ℃，反應時間120 min，電磁攪拌速度400 r/min，初始堿濃度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖4所示。

圖4 初始堿濃度對鋅浸出率的影響

由圖4看出：隨初始堿濃度增大，鋅浸出率提高，初始堿濃度為4 mol/L后趨于穩定；繼續增大初始堿濃度，鋅浸出率變化不大。綜合考慮，確定初始堿濃度以4 mol/L為宜。

2.2.4 攪拌速度對鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應溫度65 ℃，反應時間120 min，初始堿濃度4 mol/L，攪拌速度對鋅浸出率的影響試驗結果如圖5所示。

圖5 攪拌速度對鋅浸出率的影響

由圖5看出，隨攪拌速度增大，鋅浸出率提高。攪拌速度較低時，溶液攪動幅度較小，體系中的固體粉料不能合理分散于溶液中，使得體系上下層物料與堿的相對含量不同，影響反應進行；隨攪拌速度增大，礦石顆粒可以被完全攪動并分散在整個體系中，同時固體顆粒表層的擴散層也因此變薄從而有利于堿的擴散進入，反應物接觸概率和接觸效果均隨攪拌速度增大而得到改善；相同時間內，鋅化合物與堿的反應增強，鋅浸出率增大；攪拌速度增至300 r/min以上時，礦石粉料分散均勻，顆粒表面擴散層厚度不能進一步降低，體系動力學條件不能進一步改善，浸出反應趨于平衡。根據溶液體系中攪拌雷諾數的變化，攪拌速度增大使得溶液逐漸由低攪拌速度時的層流經由過渡流轉變為紊流，而紊流狀態并不利于反應進行，因此，攪拌速度以不高于300 r/min為宜。

2.3 綜合試驗

在上述單因素試驗所得適宜條件(攪拌速度300 r/ min，反應溫度65 ℃，反應時間120 min，初始堿濃度4 mol/L，液固體積質量比10/1)下進行綜合試驗，重復進行3次，試驗結果如圖6所示。可以看出：3次試驗的鋅浸出率相差較小，平均為90.08%，浸出效果較好。

圖6 綜合試驗結果

3 結論

用氫氧化鈉溶液從低品位氧化鋅礦石中浸出鋅，效果較好，適宜條件下，3次試驗得到鋅浸出率為90.08%。此方法工藝簡單，操作簡便，生產環境較好，礦石中的鋅可得到有效回收，對于從低品位氧化鋅礦石中回收鋅有一定參考價值。