小型煉鋅廠采用濕法煉鋅工藝流程的選擇和優(yōu)化

何怡，張義隆

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300202）

小型煉鋅廠采用濕法煉鋅工藝流程的選擇和優(yōu)化

何怡，張義隆

（天津渤海職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300202）

本文介紹了，在實驗室中以鋅礦粉（主要成分為氧化鋅）為原料，探索適用于小型煉鋅廠采用濕法煉鋅的工藝條件進行模擬。

硫酸鋅電解液配制電壓電流強度

現(xiàn)代鋅的冶煉技術(shù)主要有火法和濕法兩大類。火法煉鋅的最大優(yōu)點在于前期投入小，鋅的純度可達99%。但對于火法煉鋅技術(shù)來說，其最大弊病在于，所需原料為富鋅礦，而我國儲存量最多的鋅礦多為低品位鋅礦，如菱鋅礦和異極礦，采用火法煉鋅技術(shù)不僅難度大而且還會造成嚴重的環(huán)境污染。所以我國的煉鋅廠多采用濕法煉鋅技術(shù)，但濕法煉鋅的前期投入量大，不適于小型煉鋅廠，所以本文對其工藝進行了如下摸索性試驗。

1 試驗

1.1 硫酸鋅的制備

1.1.1 儀器和試劑

儀器：燒杯，布氏漏斗，抽濾瓶，濾紙。

試劑：含鋅礦粉（主要成分為氧化鋅），純鋅粉，0．5mol/L KMno4溶液，2molL硫酸3molL。

1.1.2 制備方法

1）硫酸鋅溶液制備：稱取含鋅礦粉30g放在250ml燒杯中，加入2molL硫酸150～180mL在不斷攪拌下，加熱至90℃，并保持該溫度使之溶解（鋅礦粉中常含有硫酸鉛等雜質(zhì)，由于硫酸鉛不溶于稀硫酸，故要用稀硫酸除去硫酸鉛），同時用該礦粉調(diào)節(jié)pH=4，趁熱減壓過濾，濾液至于250mL燒杯中。

2）氧化除Fe2+、Mn2+雜質(zhì)：將上面濾液加熱至80～90℃后，滴加0．5molL KMnO4至微紅時停止加入，繼續(xù)加熱至無色，控制溶液pH≈4，趁熱減壓過濾，棄去殘渣。

濾液至于250mL燒杯中。

3）置換除Ni2+、Cd2+雜質(zhì)：將上述濾液加熱至80℃左右，在不斷攪拌下分批加入1g純鋅粉，反應(yīng)10min后，檢查溶液中Cd2+，Ni2+是否除盡（Ni2+在醋酸鈉溶液中與丁二酮肟生成鮮紅色螯合物沉淀。Cd2+與硫化鈉溶液反應(yīng)生成CdS黃色沉淀）冷卻后加壓過濾，濾液置于250mL燒杯中。

4）硫酸鋅結(jié)晶：向硫酸鋅母液中滴加3molL硫酸調(diào)節(jié)pH≈1，將溶液轉(zhuǎn)移至蒸發(fā)皿中蒸發(fā)結(jié)晶。

1.2 硫酸鋅的電積

1.2.1 儀器設(shè)備

可控硅整流器：KGCF24/4000(輸出電壓24V，輸出電流4000A)，電解槽長×寬×深=1．1m×0．88m× 1．06m，厚度5mm，共四槽（實際用一槽），陽極鉛板尺寸：900mm×680mm，厚度5mm陰極為純鋁板尺寸：800mm×700mm厚度4mm，廢電解液儲槽直徑×深：3．5m×4m。

1.2.2 電極過程所控電積參數(shù)

電積溫度控制在40℃，電積過程中加入牛膠20mg/L，加入碳酸鍶0．1g/L以及少量皂根，并加入少量明礬和硼酸為緩沖劑。電積前鋅離子濃度為53-54g/L左右，游離酸為135-140g/L，酸鋅比（硫酸比鋅量）為2．55。電積后廢液含鋅為48～49g/L，游離酸為142～148g/L，廢液中酸鋅比約為3．0。

1.2.3 陰極和陽極上的電化學(xué)反應(yīng)

2 結(jié)果與討論

2.1 電解質(zhì)溶液對電積的影響

電解質(zhì)溶液中的主鹽為硫酸鋅，所以我們先來分析一下鋅礦粉中鋅的含量。

已知鋅礦粉的主要含量為氧化鋅，稱取于800℃+50℃的高溫爐中灼燒至恒重的工作基準(zhǔn)試劑氧化鋅，用少量水潤濕，加2mL鹽酸溶液（20%）溶解，加100mL水，用氨水溶液（10%）調(diào)節(jié)溶液pH至7～8，加10mL氨-氯化銨緩沖溶液（pH=10）及5滴絡(luò)黑T指示液（5g/L），用配制好的乙二胺四乙酸二鈉溶液滴定至溶液由紫色變?yōu)榧兯{色。

乙二胺四乙酸二鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定溶液的濃度，數(shù)值以（mol/L）表示，按下式計算：

m—氧化鋅質(zhì)量的準(zhǔn)確數(shù)值，單位g。V1—乙二胺四乙酸二鈉溶液的體積，單位為mL。V2—空白試驗乙二胺四乙酸二鈉溶液的體積數(shù)值，單位為mL。M—氧化鋅摩爾質(zhì)量數(shù)值，單位為g/mol〔M(ZnO)= 81．39〕。

在實驗中可以制成高純度的硫酸鋅，而在化工廠實踐中往往摻有微量的雜質(zhì)。其中銅和鉛為其主要干擾雜質(zhì)，當(dāng)這些雜質(zhì)含量超過準(zhǔn)許范圍時，則影響陰極鋅質(zhì)量，降低電流效率。

2.2 電流強度和電壓廢液硫酸含量對電積的影響

2.2.1 電積過程分析

在鋅電積電極上的電化學(xué)反應(yīng)過程中，反應(yīng)過程為：

（1）Zn2+通過溶液中擴散到陰極表面，H2O擴散到陽極表面；

（2）Zn2+和H2O分別在電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。目前對于該反應(yīng)的反應(yīng)機理解釋不一，本試驗組的解釋為：鋅原子的價層電子結(jié)構(gòu)為3d104s2，因為d層電子已滿，其次外層有18個電子，對原子核的屏蔽較小，有效核電荷較大，則對外層s電子的引力較大，所以在進行電積時，鋅離子可能會從陰極上直接獲得兩個鋅離子；

（3）電解出的鋅原子于陰極析出，陽極產(chǎn)生的氧原子進一步反應(yīng)生成氧分子；

（4）氧氣，H+擴散離開陽極表面，與鋅離子一同擴散到陰極表面的硫酸根離子擴散離陰極表面。從理論上看，在陰極的擴散層中，可能存在先擴散到陰極表面的硫酸根離子對鋅離子的擴散有吸引作用，導(dǎo)致后續(xù)的硫酸根離子無法擴散進入陰極表面。

實際上，溶液中的離子是溶劑化的離子，擴散時溶劑化離子擴散到電極反應(yīng)表面，在電化學(xué)反應(yīng)過程中首先是去溶劑化。

2.2.2 電解液廢酸和電流強度的最佳配比方法

從電化學(xué)理論上看，在電積硫酸鋅的電化學(xué)反應(yīng)過程中，當(dāng)過電位比較低時，電流密度小，整個過程速率處在電化學(xué)反應(yīng)控制中；當(dāng)過電位比較高時，反應(yīng)處在擴散控制中，最終達到極限電流密度；當(dāng)過電位中等時，處于混合控制中。當(dāng)加強電解液在電積表面的運動時，可以加快離子在電極表面的擴散速度，從而降低過電位，降低整個過程的過電位，有利于降低電積電耗。

但在實際的電積過程中，有許多微觀過程難以確定，并且還需要考慮到資源的節(jié)約利用問題，我國煉鋅廠電積鋅一般可分為三種方法：低酸低電流密度法，中酸中電流密度法和高酸高電流密度法。三種方法的比較見表1。

表1 電解沉積方法比較

新液含鋅量越高，單位體積新液析出的鋅量越多，相應(yīng)的廢電解液含硫酸量越多，廢電解液中所含的酸鋅比越大。實踐證明，廢電解液酸度每提高10g/L，槽電壓降低0．013V，相當(dāng)于每噸鋅節(jié)能13kW．h。提高廢液的酸鋅比就意味著新液含鋅濃度相應(yīng)增加。通常控制廢液的酸鋅比為（3～3．8）：1。

2.3 槽液溫度對電積的影響

工業(yè)生產(chǎn)中每提高1℃，槽電壓降低0．006V，相當(dāng)于每噸鋅節(jié)能6kW．h,但當(dāng)溫度的升高將會影響反萃溫度對有機相中鋅的反萃率。隨著反萃溫度的升高，鋅的反萃率下降。在工業(yè)生產(chǎn)中，反萃處于萃取低溫和電積的高溫工序之間。電解廢液溫度大部分在40℃左右，則不可將其直接加入反萃工序中，否則會加大有機相的揮發(fā)損失，使鋅的反萃率下降，應(yīng)將電解廢液經(jīng)冷卻系統(tǒng)再進入反萃工序，故將在生產(chǎn)控制槽液溫度控制在38℃～42℃為最佳，便于冷卻。

3 結(jié)論

3.1 硫酸鋅中的雜質(zhì)含量的準(zhǔn)許范圍：Cu 0．2～0．5mg/L，Pb 0．12～0．3mg/L。

3.2 電積所用的極板材料為：陽極為鉛板，陰極為鋁板。

3.3 控制廢液的酸鋅比為（3～3.8）：1，即廢電解液含硫酸130～280g/L。

3.4 生產(chǎn)控制槽液溫度控制在38℃～42℃。

［1］ 章小鴿鋅的腐蝕與電化學(xué)（M）北京冶金工業(yè)出版社20083-4.

［2］ 張駕，等重有色金屬冶煉設(shè)計手冊鉛鋅鉍卷[M].北京冶金工業(yè)出版社324.

book=2010,ebook=149

10．3969/j．issn．1008-1267．2010．04．012

TQ132．4+1

A

1008-1267（2010）04-034-02

2009-10-20