硫化鋅精礦氧壓浸出過程中的沉鐵機理

陳龍義

(長沙有色冶金設計研究院有限公司，湖南 長沙 410019)

硫化鋅精礦中主要成分是鋅和硫，約占精礦總含量的80%，此外，不同的鋅精礦含鐵量約在5%～15%之間，還含有一定的鉛、銅、鎘、鎳、鈷等元素，部分硫化鋅精礦還含有一定量高附加值的鎵、鍺、銦等稀散金屬。硫化鋅精礦主要元素成分如表1。

表1 硫化鋅精礦主要元素成分

從上表中可以直觀的看出：在硫化鋅精礦中，除主要成分鋅和硫外，鐵是最主要的元素，以何種方式將鐵分離出來是鋅冶煉重點考慮的內容之一。

而在鋅濕法冶煉過程中，鐵的走向決定工藝流程的長短，并直接影響鋅的浸出率，是鋅冶煉企業工藝選擇的重點考慮內容之一[1-4]。

在硫化鋅精礦氧壓浸出全濕法鋅冶煉過程中，通過合理控制高壓釜內的溫度、酸度、氧分壓等條件下進行氧壓浸出，可將鐵沉淀進入渣中。

1 氧壓浸出過程中鋅和鐵的浸出機理

硫化鋅精礦氧壓浸出是一種強化浸出工藝，目前硫化鋅氧壓浸出工藝主要是采用兩段逆流加壓浸出。硫化鋅精礦在一定溫度、酸度與氧分壓條件下在高壓釜內反應，精礦中以硫化物形式存在的硫被氧化為單質硫，進入浸出渣中。在第二段浸出過程中，原料中大部分鋅、ZnS·FeS和Fe7S8兩種形態存在的鐵等金屬均能從原礦中溶出，并以可溶性硫酸鹽形式進入浸出液，再逆流返回第一段氧壓浸出，而黃鐵礦（FeS2）和黃銅礦（CuFeS2）只有極少部分能溶解。硫化鋅精礦氧壓浸出主要化學反應如下：

反應過程中鐵起到一定的傳遞氧的媒介作用，可以促進反應的進行。

2 不同氧壓浸出條件下Fe的沉鐵機理

鐵離子只有在高酸條件下才是穩定的，而在一定的酸度和溫度條件下鐵容易與水或者水中其他離子結合產生沉淀。

在硫化鋅精礦氧壓浸出工藝過程中，第二段氧壓浸出進入溶液的鐵隨著浸出液返回第一段氧壓浸出。通過控制第一段氧壓浸出高壓釜內條件，可選擇性使鐵沉淀進入渣中，其中鐵主要以三種形式沉淀，分別是針鐵礦形式、黃鉀鐵礬形式和赤鐵礦形式。

2.1 針鐵礦沉鐵機理

在Fe2O3-SO3-H2O體系下，針鐵礦沉鐵一般控制溫度在90攝氏度以上，且溫度高有利于加快沉鐵速度和提高沉鐵率。第一段氧壓浸出過程中，在控制酸度的情況下，會產生一定量的針鐵礦沉淀[5]，反應式如下：

通常情況下，針鐵礦的生成要求酸度較低，生成穩定的針鐵礦要控制pH值2以上。

因此，上述針鐵礦生成反應不是硫化鋅精礦氧壓浸出過程中高壓釜內沉鐵的主流反應。

2.2 黃鉀鐵礬沉鐵機理

在一定溫度、酸度以及有一價陽離子（A+）存在的情況下，硫酸體系中三價鐵離子會形成黃鉀鐵礬類礦物沉淀下來的生成[3]，生成黃鉀鐵礬反應式如下：

從反應式可以看出，黃鉀鐵礬生成過程中有酸的產生，必須將酸中和才能使鐵礬的生成過程持續，因此，黃鉀鐵礬生成酸度不能太高。

此外，黃鉀鐵礬類礦物的形成是一個吸熱的過程，因此其在低溫條件下生成速度緩慢，隨著溫度的升高，鐵礬生成速度加快。

但溫度超過180℃時，黃鉀鐵礬開始分解，并轉化成赤鐵礦[6-8]。

2.3 赤鐵礦沉鐵機理

在氧壓浸出過程中，Fe2O3-SO3-H2O體系溫度在50℃時就開始存在相對穩定的針鐵礦（α-FeOOH），當溫度上升至120℃時，溶液中開始析出Fe2O3，并且對著溫度的升高Fe2O3相的穩定性也逐漸提高[9-11]，此外針鐵礦和黃鉀鐵礬也會隨著溫度的升高發生水解反應生成Fe2O3。赤鐵礦沉鐵反應式如下：

高溫下α-FeOOH水解反應式如下：

高溫下黃鉀鐵礬水解反應式如下：

在高壓釜內，溫度達到140℃、溶液含酸15g/l以下時，鐵除了以黃鉀鐵礬和針鐵礦形式沉淀外，還有少量赤鐵礦。隨著高壓釜內溫度的升高，赤鐵礦不斷增加，在155℃或更高時，主要為赤鐵礦沉淀[12]。

3 結語

（1）從理論上分析了氧壓浸出過程中的沉鐵機理：當控制第一段氧壓浸出壓力11kPa、溫度150℃、終酸10g/l時，鐵主要以黃鉀鐵礬形態沉入渣中，同時有部分以赤鐵礦形態沉入渣中，此外，還有少量以針鐵礦形態沉入渣中。

（2）得出了氧壓浸出同時沉鐵工藝的浸出終酸及溫度控制的區間，為現有硫化鋅精礦氧壓浸出工藝生產操作參數的確定提供參考。

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