濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰的技術發展現狀

郭靈巧,安 強,羅寶龍,羅 磊,林 智,曾 艷

(1. 重慶賽迪熱工環保工程技術有限公司,重慶 401120;2. 重慶大學,重慶 400044)

隨著工業化進程的加速,各種金屬礦物資源的開發利用越來越廣泛。其中,含鐵含鋅除塵灰作為一種重要的工業副產物[1-2],如何高效、環保地進行處理和利用成為亟待解決的問題。濕法冶金工藝是一種采用水介質,通過溶液化學反應將金屬與非金屬有效地分離和提取的工藝[3]。這種工藝對于處理含鐵含鋅除塵灰具有很大的潛力,可以實現金屬的高回收率和環境的低污染。

1 含鐵含鋅除塵灰的成分和特點

1.1 含鐵含鋅除塵灰的成分

含鐵含鋅除塵灰主要來源于鋼鐵、有色金屬冶煉及焙燒等冶金工藝過程。除塵灰中含有多種金屬元素,如鐵、鋅、銅、鉛等。根據不同來源的除塵灰,其金屬含量有較大差異。一般來說,含鐵含鋅除塵灰中鐵的含量較高,達到40%～60%;鋅含量也較高,約為10%～20%[4]。

1.2 含鐵含鋅除塵灰的特點

含鐵含鋅除塵灰具有以下特點:

(1) 組成復雜:除塵灰中含有多種金屬元素,成分復雜,金屬氧化物和硫化物共存,且含有一定量的堿金屬鹽、氯化物等。

(2) 粒度細:含鐵含鋅除塵灰粒徑較細,部分粒子小于10微米,利于提高金屬與非金屬的分離效率。

(3) 有毒:含鐵含鋅除塵灰中的重金屬元素(如鋅、鉛、鎘等)、二英具有毒性[5],若不加以處理,會對環境和人體健康造成嚴重危害。

2 濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰的技術發展現狀

2.1 酸浸法

酸浸法是濕法冶金工藝中最常見的一種處理方法,通過將含鐵含鋅除塵灰與酸溶液接觸,實現金屬的浸出和富集。酸浸法的關鍵參數包括浸出劑種類、濃度、溫度、浸出時間等[6]。酸浸法的優點是操作簡單、設備投資低,但對于高硫含量的除塵灰,酸浸法存在處理難度較大的問題。且濕法浸出時浸出溫度和浸出酸濃度對鋅浸出率的影響巨大,在常溫稀酸溶液中,煙塵中以鐵酸鋅(ZnO·Fe2O3)形式存在的鋅幾乎不反應,嚴重影響鋅浸出率[7]。如果采用強酸且升溫、加壓,鋅浸出率可以提高,同時鐵的浸出率提高,大量的鐵被引入溶液,加重了后續凈化除鐵工序的負擔。且粉塵中能在電解過程中與鋅同時析出的其他雜質也被浸出,最終會降低鋅產品的純度。

2.2 生物浸出法

生物浸出法利用微生物的氧化還原作用,將含鐵含鋅除塵灰中的金屬轉化為可溶性化合物。生物浸出法具有處理成本低、無需外加酸、環境友好等優點,但生物浸出速度較慢,受環境因素影響較大[8]。

2.3 硫酸鹽焙燒法

硫酸鹽焙燒法通過在一定溫度下將含鐵含鋅除塵灰與硫酸或硫酸鹽混合,使金屬轉化為可溶性硫酸鹽。這種方法具有處理效果好、金屬回收率高等優點,但同時產生大量的硫酸煙氣,需要進行嚴格的環境治理。

2.4 氨浸法

氨浸法的原理是:在一定條件下利用在銨鹽的存在,除塵灰中部分金屬氧化物與氨溶液反應生成絡合物,使金屬離子轉入溶液,經過過濾,除雜、鋅結晶等工序后得到含鋅產品[9]。主要用于氨浸出的溶液有NH4Cl溶液和氨-碳酸氫銨溶液。氨浸法具有對金屬的選擇性高、廢液易處理、環境友好等優點。但氨浸法設備投資較大,氨氣具有毒性,需要嚴格的安全管理。且無論浸出液是NH4Cl溶液或氨-碳酸氫銨溶液,都是弱堿浸出,弱堿浸出雖然比強堿浸出或者酸浸出的選擇性更高,得到的浸出液更純,且常溫下浸出速度高,浸出劑再生容易,得到的氧化鋅純度較高。但是當除塵灰中鐵酸鋅含量較高時,弱堿不與鐵酸鋅反應,鐵酸鋅中的鋅不能轉移到浸出液中,浸出率大大降低,只有60%左右,且除雜步驟繁瑣,鉛也不能得到有效回收利用。

2.5 堿浸法

堿浸法是利用堿性溶液(如氫氧化鈉、氫氧化鉀等)與含鐵含鋅除塵灰發生反應,將其中的金屬轉化為可溶性化合物。堿性溶液的濃度是影響浸出率的重要因素,浸出率一般隨溶液濃度的增加而增加,但是溶液濃度過高時反而不利于浸出,因為濃度過高時溶液的黏度增加會降低離子的擴散速率,且SiO2的膠狀形式也加重,所以應該控制堿濃度在合適的范圍內[10]。與酸浸法相比,堿浸法具有較低的腐蝕性和較高的選擇性,可以有效地分離金屬元素。然而,堿浸法的金屬浸出效率較低,且處理過程中產生的廢堿液處理相對困難。

2.6 電解浸出法

電解浸出法是通過在浸出槽中施加電場,促使含鐵含鋅除塵灰中的金屬溶解并在陽極或陰極上沉積[11]。電解浸出法的優點是金屬回收率高、處理速度快、能耗低。然而,電解浸出法設備投資較大,且對原料成分和粒度有較高的要求。

2.7 超聲波輔助浸出法

超聲波輔助浸出法是通過將超聲波引入浸出過程,提高含鐵含鋅除塵灰中金屬的浸出效率[12]。超聲波能夠破壞固體顆粒表面的結構,增大顆粒與溶液的接觸面積,從而提高金屬浸出速率。超聲波輔助浸出法具有處理效果好、設備簡單、操作方便等優點[13]。然而,超聲波能量消耗較大,且在大規模工業應用中仍存在技術挑戰。

2.8 離子液體浸出法

離子液體是一種低熔點、無揮發性的有機鹽,具有良好的溶劑性能。離子液體浸出法是利用離子液體與含鐵含鋅除塵灰發生反應,實現金屬的浸出[11]。離子液體浸出法具有無揮發性、低毒性、高選擇性等優點,是一種具有潛力的綠色處理方法。然而,離子液體的價格較高,且回收和再生技術仍有待完善,限制了其在工業應用中的普及[14]。

2.9 氧壓浸出法

氧壓浸出法是在高溫、高壓氧氣環境下進行浸出反應,使含鐵含鋅除塵灰中的金屬元素與氧氣發生氧化反應,形成可溶性的氧化物或鹽類[15]。氧壓浸出法具有浸出速率快、金屬回收率高等優點,特別適用于處理難浸出的金屬礦物。然而,氧壓浸出法設備投資大,操作條件苛刻,安全性和環保性需進一步提高。

2.10 機械激活浸出法

機械激活浸出法是通過機械研磨、高能球磨等方法[16],對含鐵含鋅除塵灰進行預處理,增大其比表面積,提高金屬浸出效率。機械激活浸出法可以顯著提高浸出速率,減少浸出劑用量,降低處理成本。然而,機械激活過程能耗較高,且可能產生噪音、粉塵等環境問題。

3 濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰的挑戰與對策

3.1 金屬回收率的提高

盡管濕法冶金技術在處理含鐵含鋅除塵灰方面取得了一定的成果,但金屬回收率仍有待提高。為了解決這一問題,可以通過優化工藝參數、改進浸出劑種類和濃度、采用新型輔助浸出技術等方法提高金屬回收率。

3.2 環境污染的控制

濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰過程中,可能產生廢水、廢氣、廢渣等污染物。為了降低環境污染,應加強廢水、廢氣、廢渣的綜合利用和無害化處理技術的研究與應用,提高處理過程的環保性能。

3.3 處理成本的降低

濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰需要大量的能源和化學品,因此處理成本往往比較高。為了降低處理成本,需要開發新型低成本、高效率的浸出劑,并優化浸出條件。例如,有研究發現,將電化學浸出法與其他浸出方法相結合,能夠實現金屬的高效回收和處理,同時降低處理成本[11]。

除了優化浸出劑和浸出條件外,降低處理成本還需要加強廢棄物綜合利用和資源回收。例如,將含鐵含鋅除塵灰中的廢渣用于制備水泥或陶瓷材料,或用于土壤改良等領域,可以實現資源的有效回收和利用。此外,開發高效的資源回收技術,如循環水冷卻系統和廢棄氣體回收系統,也能夠降低處理成本。

總之,降低濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰的處理成本,需要開發低成本、高效率的浸出劑和優化浸出條件,同時加強廢棄物綜合利用和資源回收,推動濕法冶金工藝技術的發展,實現資源的高效利用和環境保護的雙重目標。

4 濕法冶金工藝處理含鐵含鋅除塵灰的未來發展趨勢

4.1 綠色環保的處理技術

隨著環保要求的日益嚴格,未來濕法冶金工藝在處理含鐵含鋅除塵灰方面需要更加注重綠色環保技術的研究與應用。這包括采用低污染、低消耗的浸出劑,以及對廢水、廢氣、廢渣進行綜合利用和無害化處理的技術。此外,還需開發新型環保型設備,降低工藝過程中的能耗和污染物排放。

4.2 高效資源利用

為了提高金屬資源的利用率,未來濕法冶金工藝在處理含鐵含鋅除塵灰方面需要進一步提高金屬回收率。這可以通過優化工藝參數、采用新型浸出劑和輔助浸出技術等手段實現。同時,應加強對含鐵含鋅除塵灰中其他有價值元素(如銅、鈷等)的回收和利用研究,實現資源的高效利用。

4.3 跨學科綜合研究

隨著科學技術的發展,濕法冶金工藝在處理含鐵含鋅除塵灰方面將需要跨學科的綜合研究。例如,將生物技術與化學浸出相結合,發展生物-化學聯合浸出技術;將材料科學與浸出技術相結合,研發新型高效浸出劑和設備;將計算機科學與工藝優化相結合,實現智能化的濕法冶金工藝。

4.4 工業化應用與示范

為了推動濕法冶金工藝在處理含鐵含鋅除塵灰方面的廣泛應用,需要加強工業化應用與示范工程的建設。這包括建立工程技術研究中心,開展中試和工程應用研究;加強與企業的合作,推動技術成果轉化;開展政策支持和資金投入,為濕法冶金工藝的推廣創造有利條件。

總之,濕法冶金工藝在處理含鐵含鋅除塵灰方面具有廣泛的應用前景。在未來研究與發展過程中,需要克服現有技術的局限性,加強綠色環保技術和高效資源利用技術的研究,同時開展跨學科綜合研究,以實現更高效、環保和可持續的含鐵含鋅除塵灰處理。通過加強工業化應用與示范,推動濕法冶金工藝在實際生產中的廣泛應用,從而為金屬資源的高效利用和環境保護作出貢獻。

5 總 結

濕法冶金工藝作為一種環保、高效的處理方法,具有很大的潛力。當前,酸浸法、氨浸法、堿浸法、生物浸出法和硫酸鹽焙燒法等方法在處理含鐵含鋅除塵灰方面取得了一定的成果,但仍存在金屬回收率、環境污染和處理成本等方面的挑戰。未來研究將關注綠色、高效的新型處理技術、資源綜合利用、跨學科綜合研究及工業化應用等方向,以期實現高效、環保的含鐵含鋅除塵灰處理,為相關領域的技術進步和產業發展提供參考。