袁 杰，熊順龍，吳興敏，龐 林

(六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水 553004)

試驗(yàn)研究了用氫氧化鈉浸出低品位氧化鋅礦石的反應(yīng)機(jī)制和反應(yīng)過(guò)程熱力學(xué)，分析多種含鋅物相在不同pH條件下的離子分散度，并進(jìn)行了綜合試驗(yàn)驗(yàn)證，以期為低品位氧化鋅礦石堿浸處理提供參考信息。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料

試驗(yàn)用低品位氧化鋅礦石取自云南某冶煉廠，元素分析結(jié)果見表1，物相分析結(jié)果見表2。礦石經(jīng)破碎、粉磨后過(guò)100目篩，并在真空烘箱中于105 ℃下烘干，備用。

表1 氧化鋅礦石的元素分析結(jié)果 %

表2 原料中鋅物相分析結(jié)果 %

氫氧化鈉，分析純，國(guó)藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司；水，自制去離子水。

1.2 試驗(yàn)方法

用氫氧化鈉加去離子水配制成一定濃度堿液，堿液與氧化鋅礦石粉料按恒定液固體積質(zhì)量比10/1置于塑料燒杯中攪拌混合；反應(yīng)過(guò)程中燒杯放在電磁攪拌恒溫水浴鍋(DF-101Z/D型，力辰科技)中加熱。反應(yīng)后過(guò)濾，濾液中鋅離子質(zhì)量濃度用火焰原子吸收法測(cè)定。鋅浸出率計(jì)算公式為

(1)

式中：η—鋅浸出率，%；ρ—浸出液中鋅離子質(zhì)量濃度，g/L；V—浸出液體積，L；m—礦石質(zhì)量，g；w—礦石中鋅質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 堿浸反應(yīng)熱力學(xué)

氧化鋅礦石中的主要含鋅物相有ZnO、ZnCO3、 Zn2SiO4·2H2O。為了明確鋅化合物在NaOH溶液中可能發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)，以及反應(yīng)產(chǎn)生的不同物種在溶液中的分布規(guī)律，選擇lgα-pH進(jìn)行表征，α為離子分布率。

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

根據(jù)電算-指數(shù)方程法，離子濃度表達(dá)通式為

[R] =exp(A+B·pH)。

(9)

式中：R—離子或物種；A—常數(shù)，由反應(yīng)式平衡常數(shù)求得；B—配合物得失質(zhì)子數(shù)與ln10的乘積。反應(yīng)式(2)～(8)中各離子或物種的電算指數(shù)常數(shù)見表3。

表3 各離子或物種的電算指數(shù)常數(shù)

對(duì)于Zn(Ⅱ)-H2O體系，反應(yīng)式(2)～(8)中鋅物相濃度表達(dá)式為：

[Zn2+]=exp(25.324-4.606pH)；

(10)

(11)

(12)

[Zn(OH)+]=exp(2.990-2.303pH)；

(13)

[Zn(OH)2(aq)]=exp(-9.619)；

(14)

(15)

(16)

根據(jù)質(zhì)量守恒定律，溶液中的鋅濃度計(jì)算公式為

(17)

根據(jù)式(10)～(17)，繪制Zn(Ⅱ)-H2O體系離子濃度的分布曲線，如圖1所示。

圖1 Zn(Ⅱ)-H2O體系離子濃度的分布曲線

(18)

(19)

同理，可得出ZnCO3、Zn2SiO4·2H2O在NaOH溶液中發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)為：

(20)

(21)

(22)

(23)

2.2 從低品位礦石中堿浸鋅

2.2.1 反應(yīng)溫度對(duì)鋅浸出的影響

浸出氧化鋅礦石粉質(zhì)量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL，恒溫水浴鍋加熱，初始?jí)A濃度3 mol/L，電磁攪拌速度400 r/min，反應(yīng)時(shí)間180 min，溫度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 反應(yīng)溫度對(duì)鋅浸出率的影響

由圖2看出，隨反應(yīng)溫度升高，鋅浸出率提高。溫度升高，體系黏度降低，溶液中粒子活性增大，布朗運(yùn)動(dòng)增強(qiáng)，粒子擴(kuò)散速度增大，有利于鋅化合物在氫氧化鈉溶液中的溶解；溫度升高，會(huì)有效改善反應(yīng)體系的動(dòng)力學(xué)條件，反應(yīng)物接觸概率增大，有效加快反應(yīng)速度，從而實(shí)現(xiàn)礦料中鋅的溶解浸出。利用軟件HSC Chemistry對(duì)反應(yīng)式(18)～(23)的lgK-T進(jìn)行計(jì)算，可以得出：隨溫度升高，反應(yīng)平衡常數(shù)均呈增大趨勢(shì)，說(shuō)明溫度對(duì)6個(gè)反應(yīng)均具有促進(jìn)作用；軟件熱力學(xué)計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果相吻合。綜合考慮，確定65 ℃為鋅浸出反應(yīng)適宜溫度。

2.2.2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質(zhì)量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應(yīng)溫度65 ℃，初始?jí)A濃度3 mol/L，電磁攪拌速度400 r/min，反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)鋅浸出率的影響

由圖3看出，鋅浸出率隨反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而提高，從30 min時(shí)的65.33%緩慢提高到120 min時(shí)的89.32%，而后趨于穩(wěn)定。適當(dāng)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間，有利于反應(yīng)正向進(jìn)行得更徹底，綜合考慮，確定適宜反應(yīng)時(shí)間為120 min。

2.2.3 初始?jí)A濃度對(duì)鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質(zhì)量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min，電磁攪拌速度400 r/min，初始?jí)A濃度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 初始?jí)A濃度對(duì)鋅浸出率的影響

由圖4看出：隨初始?jí)A濃度增大，鋅浸出率提高，初始?jí)A濃度為4 mol/L后趨于穩(wěn)定；繼續(xù)增大初始?jí)A濃度，鋅浸出率變化不大。綜合考慮，確定初始?jí)A濃度以4 mol/L為宜。

2.2.4 攪拌速度對(duì)鋅浸出的影響

氧化鋅礦石粉質(zhì)量10 g，氫氧化鈉溶液100 mL， 恒溫水浴鍋加熱，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min，初始?jí)A濃度4 mol/L，攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖5所示。

圖5 攪拌速度對(duì)鋅浸出率的影響

由圖5看出，隨攪拌速度增大，鋅浸出率提高。攪拌速度較低時(shí)，溶液攪動(dòng)幅度較小，體系中的固體粉料不能合理分散于溶液中，使得體系上下層物料與堿的相對(duì)含量不同，影響反應(yīng)進(jìn)行；隨攪拌速度增大，礦石顆?？梢员煌耆珨噭?dòng)并分散在整個(gè)體系中，同時(shí)固體顆粒表層的擴(kuò)散層也因此變薄從而有利于堿的擴(kuò)散進(jìn)入，反應(yīng)物接觸概率和接觸效果均隨攪拌速度增大而得到改善；相同時(shí)間內(nèi)，鋅化合物與堿的反應(yīng)增強(qiáng)，鋅浸出率增大；攪拌速度增至300 r/min以上時(shí)，礦石粉料分散均勻，顆粒表面擴(kuò)散層厚度不能進(jìn)一步降低，體系動(dòng)力學(xué)條件不能進(jìn)一步改善，浸出反應(yīng)趨于平衡。根據(jù)溶液體系中攪拌雷諾數(shù)的變化，攪拌速度增大使得溶液逐漸由低攪拌速度時(shí)的層流經(jīng)由過(guò)渡流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪鳎闪鳡顟B(tài)并不利于反應(yīng)進(jìn)行，因此，攪拌速度以不高于300 r/min為宜。

2.3 綜合試驗(yàn)

在上述單因素試驗(yàn)所得適宜條件(攪拌速度300 r/ min，反應(yīng)溫度65 ℃，反應(yīng)時(shí)間120 min，初始?jí)A濃度4 mol/L，液固體積質(zhì)量比10/1)下進(jìn)行綜合試驗(yàn)，重復(fù)進(jìn)行3次，試驗(yàn)結(jié)果如圖6所示?？梢钥闯觯?次試驗(yàn)的鋅浸出率相差較小，平均為90.08%，浸出效果較好。

圖6 綜合試驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

用氫氧化鈉溶液從低品位氧化鋅礦石中浸出鋅，效果較好，適宜條件下，3次試驗(yàn)得到鋅浸出率為90.08%。此方法工藝簡(jiǎn)單，操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)環(huán)境較好，礦石中的鋅可得到有效回收，對(duì)于從低品位氧化鋅礦石中回收鋅有一定參考價(jià)值。