試析鐵酸鋅選擇性還原的反應機理

楊家旺　李甘

摘 要：本文對鐵酸鋅選擇性還原反應的實驗進行闡述，并結合實驗結果，對其熱力學優勢區域圖、質量損失及分解特征進行簡要分析，希望能夠為鐵酸鋅選擇性還原的反應機理研究提供一點理論支持。

關鍵詞：鐵酸鋅；選擇性還原；反應機理

一、引言

在傳統濕法煉鋅浸出渣與電弧爐煉鋼粉塵中，鐵酸鋅所占比重較大，為了使含鐵酸鋅物料得到充分利用，就需要對其中的鐵酸鋅進行有效處理。近年來，人們研究出一種含鐵酸鋅廢渣的新處理方法，即選擇性還原焙燒，這一方法的原理是采取選擇性還原的方法，使廢渣中的鐵酸鋅向ZnO與磁鐵礦分解，并利用中性浸出或磁選工藝分離出鐵鋅。采用這種方法需要有中溫與弱還原性氣氛條件的支撐，相較于傳統的回轉窯煙化法，這種方法對還原溫度要求不高，能夠實現鋅鐵的同步回收，可見其應用價值比較高。鑒于此，為了對選擇性還原焙燒工藝進行進一步改進，就需要我們圍繞鐵酸鋅的選擇性還原反應機理進行研究。

二、實驗

1.鐵酸鋅合成方法

按照1∶1的摩爾比，將分析純的ZnO與Fe2O3均勻的混合在一起，然后在1000℃條件下進行煅燒，待4小時后，將混合物質侵入到40℃條件下的1mol/L的鹽酸中1小時，使未反應的氧化物得以去除，然后繼續在1000℃條件下進行煅燒，待1小時之后，利用自然隨爐冷卻進行退火。這一過程發生的反應主要為ZnO+Fe2O3→ZnFe2O4，按照74μm的粒徑將合成樣品進行細磨篩分，并干燥1小時，即可在還原焙燒實驗中投入使用。如圖1為合成鐵酸鋅的XRD譜，其中衍射峰呈尖銳峰型，具有完好的晶型。

2.還原焙燒實驗

利用Netzsch（ST449F3）熱重分析儀進行還原焙燒試驗，稱取鐵酸鋅3g，按照10℃/min的速率在惰性氬氣中對其進行加熱，達到預定溫度之后以設定的CO濃度與CO占CO+CO2總體積的體積分數φ將CO與CO2添加到氣流中，并對氬氣流量進行調節，使100mL/min的氣流得以形成。經過一段時間反應之后，不再添加CO與CO2，并將樣品冷卻至室溫。通過EDTA與重鉻酸鉀滴定法，對不同還原時間還原產物中的ZnO與Fe2+進行分析，然后對熱重加以利用，對還原中的質量損失特征進行檢測。

3.檢測表征方法

通過X射線光束電子能譜對還原產物的表面性質進行分析，利用ESCALAB 250Xi系統進行檢測。對ALKαX射線源加以運用，按照20eV的能量，結合能標準選擇C1s峰的284.6eV，基于此進行校正。在數據分析中，對Thermo Avantage Software軟件加以使用，獲取相應時間條件下的還原產物的摩爾分數。

還原產物的物相分析采用X射線衍射儀，并對CuαK輻射源加以利用，按照10°～80°的角度、0.02（°）/step的步長以及10（°）/min的速度進行掃描。晶格結構變化往往可以通過高角度衍射峰得到反映，根據圖1，可知在高角度區，（440）衍射峰具有最高強度，在衍射峰變化分析中可以對此加以利用。與此同時，晶胞參數計算選擇科恩最小二乘法，計算采用Matlab7.0編程。

選擇JSM-6360LV型掃描電子顯微鏡與GENESIS 60S型能譜儀來分析還原產物顆粒層形貌與元素構成，還原產物對樹脂膠結加以運用，帶磨平拋光后進行電鏡觀測與能譜分析。

三、結論

1.熱力學優勢區域圖分析

2.質量損失與分解特征

還原反應表現為質量損失過程，即鐵酸鋅的還原失氧，關于750℃下鐵酸鋅選擇性還原的等溫質量損失和微分質量損失曲線，具體如圖3所示。

而圖4則分別為是不同時間還原產物的ZnO與Fe2+含量及其線性擬合曲線圖。

經過分析可知，失氧為鐵酸鋅還原的原因，而部分鐵由于維持電中性還原為二價，鐵酸鋅在分解產生ZnO的過程中，Fe2+具有促進作用，二者與線性關系相符。

參考文獻：

[1]侯棟科，彭兵，柴立元等.鐵酸鋅選擇性還原的反應機理[J].中國有色金屬學報，2014，（10）：2634-2641.

[2]余剛，彭寧，周蘭等.鐵酸鋅選擇性還原及其在鋅浸出渣處理中的應用[J].中國有色金屬學報（英文版），2015，（8）：2744-2752.

[3]陳棟，彭兵，柴立元等.鐵酸鋅選擇性還原方法及其在鋅焙砂處理中的應用[J].中國有色金屬學報，2015，25（8）：2284-2292.

[4]閆媛.基于鐵酸鋅選擇性還原的鋅浸出渣處理研究[D].中南大學，2014.