高鐵鋅焙砂浸出試驗研究

郭家林， 石娟寧， 王之宇

1.商洛學院 化學工程與現代材料學院，商洛 726000； 2.陜西省尾礦資源綜合利用重點實驗室，商洛 726000

1 引言

隨著近年來我國工業制造業的快速發展，我國目前既是世界上最大的鋅生產國，又是最大的鋅消費國[1]。但國內的鋅精礦消耗量超過了國內的供應能力，仍需大量增加鋅精礦的進口量，目前面臨日益嚴重的鋅資源短缺問題[2]。低品位氧化鋅礦和高鐵鋅精礦逐漸成為鋅冶煉行業的主要原料[3]。提升鋅冶煉的工藝水平，提高鋅資源綜合利用率已尤為重要。提高鋅焙砂中總鋅的浸出率，降低鋅提取的成本，減少環境污染是目前我國鋅冶煉企業普遍關心的問題[4]。浸出液溶劑濃度是影響鋅浸出率和反應速率的重要因素，增大溶劑濃度，鋅的浸出率和反應速率隨之增大[5]。然而，溶劑濃度增大在增加鋅溶解的同時也會引起雜質的溶出和經濟成本的增加。彭兵[6]等利用還原焙燒—堿性浸出工藝處理高鐵鋅焙砂，通過還原焙燒將鐵酸鋅分解為氧化鋅和鐵氧化物，氧化鋅在堿性體系被選擇性浸出，鐵氧化物留在浸出渣中。閆緩[7]等針對北京某鋅冶煉廠鋅焙砂提出了一種還原焙燒方法，使高鐵鋅焙砂中的鐵酸鋅選擇性分解為氧化鋅和磁性氧化鐵。韓俊偉[8]等通過還原焙燒將高鐵鋅焙砂中的鐵酸鋅選擇性地分解為氧化鋅和磁鐵礦，再通過兩段浸出工藝回收鋅，以實現鋅鐵分離和獲得以磁鐵礦為主的浸出渣。此類方法都存在浸出渣中鋅鐵氧化物鑲嵌的問題，使得鋅浸出率無法進一步提高。

陜西某煉鋅廠鋅焙砂中含Fe量高(>30%)，企業為提高Zn浸出率，采用高溫高酸浸出工藝，導致Fe被大量浸出，后續除鐵作業復雜，對公司正常生產造成影響，經多次工藝調整仍沒有明顯效果。以該公司的高鐵鋅焙砂為研究對象，分析采用常規浸出方法處理鋅焙砂時鋅和鐵的浸出規律，在現有浸出工藝和技術條件的基礎上進行優化，使鋅的浸出率滿足條件的同時降低雜質鐵的浸出率。

2 試驗原料、試劑、設備和方法

2.1 試驗原料

試驗所用鋅焙砂取自陜西鋅業有限公司，為硫化鋅精礦高溫氧化焙燒所得。對鋅焙砂進行前期處理：取500 g鋅焙砂，用移錐法將試樣混勻，再用堆錐四分法縮分，每袋試樣質量為50 g，將稱取好的鋅焙砂放入105 ℃恒溫烘箱內烘干3～4 h。鋅焙砂主要化學成分如表1所示。

表1 鋅焙砂主要化學成分

鋅焙砂XRD圖譜如圖1所示。由分析結果可知，鋅焙砂中的物相以氧化鋅、鐵酸鋅和硫酸鉛為主。

圖1 鋅焙砂XRD圖譜

鋅焙砂激光粒度分析儀粒度分析結果如表2所示。由此可知，鋅焙砂粒徑主要分布在2～160 μm范圍內，該范圍內體積約為90%。

表2 鋅焙砂粒度分析

2.2 主要試劑及設備

試驗所用主要的試劑為濃硫酸(茂興化工，分析純)。試驗所用的主要儀器設備有：激光粒度分析儀，英國馬爾文Mstersizer2000；X射線衍射儀，荷蘭帕納科X Pert Powder；原子吸收光譜分析儀，北京東西電子技術研究所AA-7002A；電動攪拌機，PW20；真空抽濾機，天津奧特賽恩斯AP-9950；電子天平，賽多利斯CPA224S。

2.3 試驗方案

針對該煉鋅廠存在的實際問題，以現有生產工藝為基礎，對浸出過程中的攪拌速度、浸出時間、浸出溫度和初始酸濃度等關鍵環節進行單因素試驗，研究各因素對Zn和Fe浸出率的影響規律。具體試驗方案設計如下：

(1)攪拌速度對浸出的影響：在初始酸濃度120 g/L、液固比10：1、浸出溫度60 ℃、浸出時間90 min條件下，攪拌速度分別300、350、400、450、500、550和600 r/min進行試驗。

(2)浸出時間對浸出的影響：在浸出溫度60 ℃、初始硫酸質量濃度120 g/L、液固體積質量比10：1、攪拌速度500 r/min條件下，浸出時間分別取5、10、20、30、60和90 min進行試驗。

(3)初始酸濃度和浸出溫度對浸出的影響：在液固體積質量比10：1、攪拌速度500 r/min、浸出時間60 min條件下條件下，初始酸度依次設定為20、40、80、120和160 g/L，分別在30 ℃、60 ℃和90 ℃的浸出溫度下進行試驗，以分析不同浸出溫度下初始酸度對浸出率的影響規律。

3 結果與討論

3.1 攪拌速度對浸出的影響

攪拌速度與Zn和Fe浸出率的關系曲線如圖2所示。從圖中可以看出，攪拌速度從300 r/min提高到600 r/min，Zn浸出率均變化不大，Fe的浸出率呈減小趨勢。攪拌速度的選擇主要考慮固體物料在浸出過程中不沉積，有利于減小物料反應顆粒邊界層厚度使外擴散不成為限制性環節即可，攪拌速度太大，會使得能耗增加、成本加大。而攪拌速度過小，則可能會造成攪拌不充分，礦漿中的顆粒發生沉降[9]。因此，選擇500 r/min為合適的攪拌速度。

圖2 攪拌速度對Zn和Fe浸出率的影響

3.2 浸出時間對浸出的影響

浸出時間與Zn和Fe浸出率的關系曲線如圖3所示。從圖中可以看出，Zn浸出率隨浸出時間的延長沒有顯著變化，Fe的浸出率隨浸出時間的延長有所減小。浸出時間大于10 min后，溶液呈淺黃褐色，Fe浸出率略有下降，可能是因為浸出液中Fe2+在空氣中氧化成Fe3+，發生如下水解沉淀反應所致[10]：

圖3 浸出時間對Zn和Fe浸出率的影響

Fe2(SO4)3+6H2O=2Fe(OH)3+3H2SO4

(1)

浸出時間在60～90 min范圍內Fe和Zn的浸出率均趨于穩定，故選擇最佳浸出時間為60 min。

3.3 初始硫酸濃度和溫度對浸出的影響

不同浸出溫度下初始酸濃度對鋅和鐵的浸出率影響曲線分別如圖4和圖5所示。從圖中可知，硫酸用量不同，溫度對Zn和Fe浸出的影響程度不同，硫酸不足時，溫度基本不產生影響，硫酸過量時，溫度影響對Zn和Fe的浸出產生影響，且對Fe的影響較大。以初始酸濃度120 g/L為例，當浸出溫度從60 ℃升高至90 ℃時，Zn的浸出率增加了1.9%，而Fe的浸出率增加了3.1%。為獲得較高的Zn浸出率和較低Fe浸出率，宜選取60 ℃為最優浸出溫度。

圖4 初始酸濃度對Zn浸出率的影響

圖5 初始酸濃度對Fe浸出率的影響

硫酸初始濃度對Zn和Fe的浸出有不同程度的影響。始酸濃度在20～120 g/L范圍內時，Zn的浸出率增幅較大，Fe的浸出率增幅相對較小。當浸出溫度60 ℃，初始酸濃度從20 g/L增大至120 g/L時，Zn的浸出率從12.3%增加至88.5%，Fe的浸出率從3.5%增加至10.3%。初始酸濃度超過120 g/L時，隨著濃度的增加，Zn的浸出率出現下降趨勢，Fe的浸出率仍有較大幅度增長。

50 g鋅焙砂中ZnO完全溶解需要消耗的硫酸用量為32 g，這說明要使鋅焙砂中Zn的浸出率達80%以上，所需要的硫酸用量需超過32 g。而結果表明，當硫酸用量低于30 g時，硫酸主要被ZnO消耗，只有當硫酸用量超過了ZnO必需的消耗量時，含鐵礦物才有機會與硫酸反應。這顯示了ZnO和含鐵礦物對酸的消耗存在先后順序。

4 結論

(1)最佳浸出條件為：浸出溫度60 ℃、初始硫酸質量濃度120 g/L、液固體積質量比10：1、攪拌速度500 r/min、浸出時間60 min。此時Zn的浸出率為88.5%，Fe的浸出率為10.3%。

(2)硫酸用量不足時，浸出溫度基本不產生影響，硫酸過量時，溫度對Zn和Fe的浸出均產生影響，對Fe的影響更大。

(3)初始酸濃度小于120 g/L時，隨著濃度的增大，Zn的浸出率增幅顯著大于Fe的浸出率增幅。初始酸度超過120g/L后，隨著硫酸濃度的增加，Zn的浸出率緩慢降低，而Fe的浸出率仍快速增長。