鋅濕法冶煉凈化工藝降低鋅粉用量的研究

廖園園

（西部礦業(yè)股份有限公司鋅業(yè)分公司，青海 西寧 810000）

鋅精礦的冶煉主要有兩種：濕法冶金和火法冶金[1]，鋅冶煉現(xiàn)主要以濕法工藝為主，濕法工藝對環(huán)境污染小、勞動強(qiáng)度低、自動化程度高，對礦物的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)已成為鋅精礦冶煉的主要工藝之一，鋅精礦濕法冶煉的主要工藝為浸出—凈化—電積。其中凈化對電積過程的影響最為明顯。凈化是處理浸出工序的ZnSO4溶液，其含有許多有害雜質(zhì)，如銅、鎘、鈷、鎳、鍺、砷、銻、鐵等。這些雜質(zhì)的存在對鋅電解沉積過程極為有害，顯著降低電流效率、增加電能消耗、同時影響析出鋅品質(zhì)，故電解前必須經(jīng)過凈化除雜。凈化的目的是除去有害雜質(zhì)，提高ZnSO4溶液質(zhì)量，富集有價金屬。

1 凈化工藝基本原理

根據(jù)電化學(xué)理論，鋅的標(biāo)準(zhǔn)電位較負(fù)，用一定規(guī)格的鋅粉從溶液中置換大部分電位較鋅正的金屬離子，形成單質(zhì)沉淀除去，鋅以離子形態(tài)進(jìn)入溶液。通常濕法煉鋅凈化劑采用鋅粉，幾種常見金屬的標(biāo)準(zhǔn)電位，見表1。

表1 幾種金屬的標(biāo)準(zhǔn)電極電位

鋅粉置換的反應(yīng)方程式如下：

簡單的置換反應(yīng)不能將鋅除盡，除鋅必須在高溫條件下同時還需要添加劑，如：砷鹽、銻鹽、有機(jī)試劑等才能完成除鋅。本工藝采用的添加劑是三氧化二銻（Sb2O3）。

2 雜質(zhì)離子對深度凈化的影響

鋅精礦除含有主要的鋅以外還含有很多其他元素，表2為鋅精礦成分含量。在鋅精礦浸出過程中，除鋅元素外的其他雜質(zhì)元素也會不同程度的浸出。凈化過程中主要去除的雜質(zhì)為：銅、鎘、鎳、鈷、砷、銻等。

表2 鋅精礦主要元素含量 /%

采取鋅焙砂中性浸出將浸出液中的砷除去，砷在浸出液中主要以As（Ⅲ）在水溶液中以H3AsO3、H2AsO3

-形式存在。研究對象采用氧壓浸出工藝，在浸出液中測得As含量為0.52 g/L。

實(shí)際生產(chǎn)過程中砷在除鐵過程中可被同時除去，F(xiàn)e2+在氧氣的作用下轉(zhuǎn)化為Fe3+后，在反應(yīng)槽中加入焙砂調(diào)節(jié)pH為5.0～5.2，反應(yīng)溫度為75 ℃后，用針鐵法將三價鐵反應(yīng)為針鐵沉淀除去，在此過程中，砷將與部分水解后形成的Fe（OH）3吸附沉淀，通過固液分離后留在鐵渣中。

從表3得到As含量已降至0.01 g/L，而除鐵后的液體含As為：0.041 g/L，根據(jù)質(zhì)量守恒定律，除鐵后液體的砷是在后續(xù)進(jìn)化除雜中發(fā)生沉淀反應(yīng)，由于除雜凈化過程中的pH保持在5.0～5.2，凈化溫度保持在75～80 ℃，除鐵后溶液中含有CuSO4，在凈化過程中加入鋅粉，鋅與液體中的硫酸銅反應(yīng)后形成Zn-Cu微電池，由于Zn-Cu微電池比Zn-Co電位差大，此時將會形成Zn-Cu-Co合金，此時Co易反溶解，往溶液中加入砷鹽，As3+將在Zn-Cu微電池上還原后和Zn-Co結(jié)合形成穩(wěn)定的As-Zn-Co合金，從而Co就沉淀至渣中。主要反生的反應(yīng)為：

因此，原礦中含有一定量的砷是對凈化反應(yīng)有利的，可是，含砷量過高在生產(chǎn)過程中易產(chǎn)生毒性氣體AsH3，因此鋅精礦含砷不宜過高，如果其含量過高而原礦中含銅量低，在生產(chǎn)中還需加入硫酸銅除砷，凈化液中各組分含量以及除鐵后液體各組分含量見表3和表4。

表3 凈化液中各組分含量 /（g/L）

表4 除鐵后液體各組分含量 /（g/L）

3 鋅粉中有效鋅的影響

有效鋅含量越高，其反應(yīng)效果越好，凈化的速度越快。廣泛使用的鋅粉有電爐鋅粉和吹制鋅粉，兩種鋅粉由于加工過工藝和原材料要求不同，其所含雜質(zhì)的含量也不相同。相較于兩種鋅粉的使用情況，電爐鋅粉噸鋅單耗較吹制鋅粉加少消耗3～5 kg/（t·Zn）。鋅粉在加工、運(yùn)輸及儲存過程中均可被空氣中的氧氣氧化，從而降低鋅粉有效鋅的量，被存放越久鋅粉含有效鋅含量越低。因此在使用、儲存及運(yùn)輸過程中應(yīng)避免有效鋅的氧化是很重要的，鋅粉的氧化、結(jié)塊等都大大降低鋅粉的使用效果。同時避免鋅粉在反應(yīng)過程中表面形成堿式硫酸鋅，鋅粉活性降低阻礙反應(yīng)進(jìn)行，凈化過程中的鋅粉成分要求見表5。

表5 凈化過程中的鋅粉成分要求

4 反應(yīng)參數(shù)對其影響

4.1 反應(yīng)溫度

在鋅濕法冶煉中常用的凈化工藝有逆向凈化和正向凈化，逆向凈化低溫除銅、鎘，高溫除鈷、鎳。正向凈化剛好相反，逆向凈化法的優(yōu)點(diǎn)是除雜質(zhì)效果好，銅、鎘、鎳、鈷等渣可分離，缺點(diǎn)對熱能消耗大，正向凈化法優(yōu)點(diǎn)是節(jié)省熱能消耗，除去的銅鎘渣在除鎳鈷時可利用對鋅粉消耗少，缺點(diǎn)是對雜質(zhì)渣無法分類，同時不好控制銅鎘渣的利用量，會造成鈷離子的復(fù)溶。除銅鎘的反應(yīng)溫度控制在60～70 ℃。除鈷鎳時溫度對反應(yīng)影響明顯，從表6中可以看出溫度越高相應(yīng)的鋅粉加入量和銻鹽加入量越低，這是由于溫度越高氫的超電勢越低，銻鹽對氫的抑制效果好，從而增加了鋅粉的活性。為了降低鋅粉在二段除鈷離子中鋅粉消耗量增加，在一段除銅鎘離子過程中增大鋅粉量，預(yù)先將部分鋅水解后吸附反應(yīng)生成的鈷渣，防止其在高溫下復(fù)溶，這樣二段除鈷離子過程中，相應(yīng)的鋅粉減少用量。

表6 除鈷過程中不同溫度下加入鋅粉量

4.2 反應(yīng)時間

反應(yīng)時間是直接影響液體指標(biāo)的重要參數(shù)，一凈除銅、鎘離子過程中時間控制在1～1.5 h，可適當(dāng)增長一段反應(yīng)時間，其目的是為了將溶液中的銅、鎘離子除盡，未除去的銅離子進(jìn)二凈后，銅離子對鈷離子的復(fù)溶影響很大，銅離子在除鈷過程中將與鋅粉發(fā)生反應(yīng)形成Cu-Zn微電池產(chǎn)生了一個陰極基，而隨著銅的溶解減少了活化能，鈷也將停止析出，從而發(fā)生返溶。但是過長的反應(yīng)時間也會加速鈷的返溶，合理的反應(yīng)時間應(yīng)控制在2.5 h。在生產(chǎn)實(shí)踐中，由于指標(biāo)控制不當(dāng)需要停機(jī)處理，時間過長（＞0.5 h）將會造成析出雜質(zhì)金屬返溶。因此，減少操作中的問題，可控制鋅粉用量。

4.3 攪拌強(qiáng)度

攪拌的目的是加快和充分反應(yīng)過程中的溶質(zhì)，鋅粉的密度大于凈化液的密度，鋅粉加入后將迅速發(fā)生沉降，部分鋅粉為發(fā)生反應(yīng)而沉入反應(yīng)槽底部，這樣就造成鋅粉浪費(fèi)，而提高攪拌速度凈化液在反應(yīng)槽中產(chǎn)生漩渦狀流體湍流，此時將鋅粉加入漩渦中，依靠攪拌產(chǎn)生的離心力將鋅粉均勻地分布在溶液中，減少溶液的鋅粉濃度差，提高鋅粉反應(yīng)時的擴(kuò)散效果，從而節(jié)省鋅粉用量增加鋅粉反應(yīng)效果，在同等電耗作用下，也可將攪拌軸上添加多級攪拌槳葉，增加其對溶液的剪切力，增強(qiáng)攪拌強(qiáng)度同樣可很好地增加鋅粉的擴(kuò)散反應(yīng)效果，做到減少鋅粉無效消耗的目的。

5 結(jié)語

本文從生產(chǎn)實(shí)際，對鋅粉凈化過程做出全面的分析，降低凈化工藝中鋅粉加入量可從鋅粉原料質(zhì)量上控制，盡量采用電爐鋅粉或是合金鋅粉，做到除雜徹底，控制好各項(xiàng)工藝指標(biāo)，凈化前液的雜質(zhì)成分、溫度、反應(yīng)時間、攪拌強(qiáng)度及除鈷過程中減少析出鈷渣的返溶，臨時停機(jī)處理等因素都會加重鋅粉的無效消耗。