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        絮凝劑在濕法煉鋅中的實(shí)踐研究

        2023-10-27 08:13:02杜榮珍
        當(dāng)代化工研究 2023年19期
        關(guān)鍵詞:生產(chǎn)

        *杜榮珍

        (云南金鼎鋅業(yè)有限公司 云南 671400)

        前言

        絮凝劑是一種有效的液固分離添加劑,在選礦、冶金、水處理、石油、化工等行業(yè)都有很好的應(yīng)用,特別是在濕法煉鋅企業(yè)中,它起著很大的作用。濕法煉鋅工業(yè)采用絮凝劑,可吸附懸浮于礦漿中的固體顆粒,絮凝沉淀既能改善上清水的品質(zhì),又能增加濃縮器的容量,而且投資小,生產(chǎn)成本低,處理能力大。

        1.試驗(yàn)準(zhǔn)備

        金屬的冶煉有兩種方式:一是火法,二是濕法。濕法冶金工藝要求在高酸堿度和高溫度條件下實(shí)現(xiàn)細(xì)小礦石的有效分離,已有研究表明,將聚丙烯酰胺作為一種合適的輔助劑,用于某些金屬的濕法冶金工藝,能夠獲得較好的分離效果。如在鉛鋅濕法冶煉工藝中加入合適的PAM,可加速礦漿的沉淀與澄清,使得沉淀溢出物具有較好的透明度,得到較高的底流礦漿濃度,從而達(dá)到了生產(chǎn)要求[1]。當(dāng)前,我國多以“焙燒-低酸浸取-電積-蒸發(fā)爐處置浸取渣系”的濕法煉鋅技術(shù)為主,如圖1所示。

        圖1 濕法煉鋅技術(shù)

        某濕法煉鋅廠的冶煉原料一部分是外部采購來的焙燒礦,一部分是自己生產(chǎn)的焙燒礦,另外一部分是自己礦山采出的氧化礦(氧化鋅原礦),而這部分氧化礦含硅較高。通常情況下根據(jù)生產(chǎn)任務(wù)、生產(chǎn)實(shí)際情況,三種原料按不同比例搭配使用,這樣原料和浸出液中硅含量波動(dòng)比較大,需要根據(jù)浸出液含硅來及時(shí)調(diào)整絮凝劑的使用來達(dá)到最佳沉降效果,保證優(yōu)質(zhì)上清質(zhì)量和較高的底流礦漿濃度,從而節(jié)約生產(chǎn)成本。這次的試驗(yàn)樣品是取自浸出車間實(shí)際生產(chǎn)中不同的含硅浸出液。在浸出車間的浸出槽中,分別采集了低硅含量和高硅含量的浸出液樣品,并取了一定量的用于生產(chǎn)中使用的并且配制好的3號(hào)絮凝劑和骨膠溶液,準(zhǔn)備6個(gè)同樣規(guī)格的燒杯作為備用,并將燒杯編號(hào)。3號(hào)絮凝劑成分為聚丙烯酰胺,是有機(jī)高分子聚合物,屬于水溶性聚合物;骨膠組成成分以蛋白質(zhì)為主,是鏈狀天然高分子物質(zhì),屬于動(dòng)物膠。

        2.試驗(yàn)方法

        絮凝是一個(gè)十分復(fù)雜的物理化學(xué)過程。目前,人們普遍認(rèn)為,絮凝作用的機(jī)制主要包括兩個(gè)方面,即聚集作用和絮凝作用。團(tuán)聚是一種中和膠體、固體懸浮物粒子表面的電荷,使粒子能夠克服兩者間的靜電斥力,導(dǎo)致粒子失穩(wěn),形成微小的團(tuán)聚體[2]。絮凝工藝是將已有的微細(xì)聚集體與絮凝劑結(jié)合,從而產(chǎn)生大量的絮體。絮凝劑一般包括兩類化學(xué)藥劑。首先為絮凝劑,能夠中和懸浮液表面帶負(fù)電的化學(xué)試劑,如羥基Al、羥基Fe、羥基錯(cuò)位等,可通過價(jià)態(tài)較高的多核羥基橋離子來中和懸浮液表面帶的負(fù)電。其次是助凝藥劑,能橋連于懸浮物質(zhì)的表面,使得懸浮物質(zhì)快速沉降,例如:丙烯酰胺、羧甲基酯等[3]。

        向1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)燒杯中加入200mL低硅含量等體積的浸出液,向4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)燒杯中加入200mL高硅含量等體積的浸出液,向1號(hào)、4號(hào)燒杯中加入2mL生產(chǎn)所用的3號(hào)絮凝劑,在2號(hào)、5號(hào)燒杯中加入2mL生產(chǎn)所用的骨膠,在3號(hào)、6號(hào)燒杯中加入3號(hào)絮凝劑和骨膠各1mL。在完全攪拌均勻之后,在燒杯中觀測了試驗(yàn)現(xiàn)象,并測定了各個(gè)燒杯中的浸出物的沉降率。

        3.試驗(yàn)過程

        從試驗(yàn)的高硅含量(4號(hào)、5號(hào)和6號(hào))燒杯中,取足夠清澈后的上清液,并對(duì)其中的硅元素展開分析,并與分析結(jié)果進(jìn)行比較,探討哪種絮凝劑對(duì)溶液中硅離子的吸附作用更強(qiáng)。接著,對(duì)不同含硅物質(zhì)的浸出液進(jìn)行比較試驗(yàn),維持其他試驗(yàn)變量不變,以不同硅離子含量浸出液作為變量,反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)操作,最終得到了對(duì)于硅含量高低的不同結(jié)果。

        4.試驗(yàn)結(jié)果

        試驗(yàn)結(jié)果表明,在中浸條件下,僅添加3號(hào)絮凝劑的1號(hào)和4號(hào)燒杯沉淀速率最高。添加了3號(hào)絮凝劑和骨膠的3號(hào)、6號(hào)燒杯的沉淀速率中等;添加了骨膠的2號(hào)和5號(hào)燒杯的沉淀速率最小;因此,在實(shí)際應(yīng)用過程中,3號(hào)絮凝劑的沉淀速率明顯高于骨膠,沉淀效果更好。

        取4號(hào)、5號(hào)和6號(hào)燒杯中的上清液,對(duì)其中的硅離子濃度進(jìn)行了分析,發(fā)現(xiàn)在加了骨膠的5號(hào)燒杯中、添加了3號(hào)絮凝劑和骨膠的6號(hào)燒杯中,硅離子濃度中等,只加了3號(hào)絮凝劑的4號(hào)燒杯中,硅離子濃度最高。通過分析和探討,認(rèn)為在溶出物中,骨膠對(duì)溶出物中的Si離子有較強(qiáng)的吸附作用。

        然后,通過對(duì)不同含硅物質(zhì)的浸出液進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn),通過多組試驗(yàn),可以得到:以物料中含ω(SiO2)=5%為標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)物料中ω(SiO2)<5%時(shí),溶出液沉淀所用絮凝劑可僅用3號(hào)絮凝劑,在原料中ω(SiO2)>5%的情況下,需要用絮凝劑與一定量的骨膠一起進(jìn)行沉淀,這樣才能獲得更好的澄清效果,并且在中上清中含有更少的硅離子,這對(duì)于提高生產(chǎn)效率是很有幫助的。

        5.討論分析

        (1)3號(hào)絮凝劑

        在濕法煉鋅廠,許多液體在濃縮機(jī)上必須加入絮凝劑,才能實(shí)現(xiàn)液-固分離。大部分公司原先采用的都是3號(hào)絮凝劑,3號(hào)絮凝劑容易造成二次污染,對(duì)人體造成很大的傷害,而且這種類型的聚丙烯酸乙酯溶液的透明度很低,使得液-固分離的效果并不顯著,從而對(duì)后續(xù)工藝造成了很大的影響。3號(hào)絮凝劑,也叫丙烯酸胺,是一種由人造的長鏈高分子材料,它的特性是無色、無味、易溶于水、呈半透明凝膠狀。它在絮凝、增稠、降阻等領(lǐng)域有著諸多的優(yōu)勢,在石油開采、醫(yī)藥、紡織等行業(yè)中有著非常重要的作用[4]。3號(hào)絮凝劑是一種非常黏稠的凝膠。所以要有較好的溶解性,就必須用高速的機(jī)械攪拌,以400~10000r/min的轉(zhuǎn)速進(jìn)行,15~45min后就會(huì)溶解。要縮短溶解時(shí)間,可以采用加溫的方法,但必須保持在55℃以下,否則溫度過高,發(fā)生高分子降解,會(huì)影響絮凝的效果。在機(jī)械設(shè)備的設(shè)計(jì)中,要想使攪拌效率更高,就必須在攪拌桶中添加具有消能、阻流等作用的攪拌桶。

        因?yàn)?號(hào)絮凝劑中含有的是酞胺基團(tuán),它們之間存在著一種與之發(fā)生氫鍵反應(yīng)的固態(tài)吸附性物質(zhì),而且它的分子鏈相對(duì)較長。絮凝效果的優(yōu)劣與分子鏈長度有關(guān),利用長鏈橋連粒子間的大粒子,使粒子間形成大粒子絮凝體,從而加快沉淀速率。在3號(hào)膠凝物中,采用搭橋的方式實(shí)現(xiàn)了對(duì)膠體表面的吸附,使膠體表面活性位點(diǎn)對(duì)膠體表面活性位點(diǎn)的影響最小。3號(hào)絮凝劑既可以對(duì)金屬礦物等具有正電勢的固體粒子進(jìn)行絮凝,也可以對(duì)具有負(fù)三電位的固體粒子進(jìn)行絮凝。采用3號(hào)絮凝劑時(shí),抗剪作用對(duì)于處理高濁度礦漿而言更加有利。

        3號(hào)絮凝劑的優(yōu)勢是能減少工程建設(shè)的投入。3號(hào)絮凝劑水分解絮凝體具有更快的沉淀速率,可以吸收礦漿顆粒,提高了沉淀效率,增加了濃縮池的利用率,減小了所用的結(jié)構(gòu)面積,節(jié)省了基礎(chǔ)設(shè)施。3號(hào)絮凝劑還可以減少處理費(fèi)用,3號(hào)絮凝劑的大分子量使其具有更大的吸附面積,增加了其對(duì)廢水的吸附容量,從而減少了廢水的處理費(fèi)用。易于操作和管理,具有操作簡便、應(yīng)用效果良好的特點(diǎn),給企業(yè)的日常生產(chǎn)和管理提供了便利。盡管在濕法煉鋅工藝中,使用絮凝劑對(duì)生產(chǎn)效率有一定的正面影響,但是當(dāng)絮凝劑過量時(shí),也會(huì)對(duì)生產(chǎn)質(zhì)量造成不利影響,因此3號(hào)絮凝劑的用量不宜過多。如果生產(chǎn)過程中3號(hào)絮凝劑的用量過多,會(huì)對(duì)鋅電解有較大的影響,不但導(dǎo)致電解液的黏性增大,出現(xiàn)氣泡,導(dǎo)致鋅片變脆,而且會(huì)導(dǎo)致沉淀鋅的逆溶解,顯著降低電流效率。因此,在實(shí)際操作中,必須嚴(yán)格控制好絮凝劑的用量,避免用量過多影響生產(chǎn)。

        鑒于目前在礦冶行業(yè)中使用聚丙烯酰胺所面對(duì)的現(xiàn)實(shí)狀況,3號(hào)絮凝劑生產(chǎn)商在產(chǎn)品的開發(fā)與使用中,應(yīng)當(dāng)在掌握了多種離子型產(chǎn)品劑型及一些共聚合產(chǎn)物的生產(chǎn)技術(shù)與生產(chǎn)能力的基礎(chǔ)上,根據(jù)礦石特性及使用介質(zhì),在初選完成之后,能夠根據(jù)使用的結(jié)果,及時(shí)調(diào)整產(chǎn)品配方,改變產(chǎn)品的某些特性,并逐漸實(shí)現(xiàn)為使用廠家在不同的礦石介質(zhì)及不同的礦石處理工藝中,為使用廠家提供特殊的絮凝劑產(chǎn)品,并協(xié)助使用廠家決定最佳的投料點(diǎn),從而促進(jìn)3號(hào)降凝劑在礦冶行業(yè)中的使用。3號(hào)絮凝劑制造商要想在礦山中提高產(chǎn)品質(zhì)量,必須走精益求精的道路,而精益求精的先決條件是技術(shù)研發(fā)和技術(shù)與產(chǎn)品創(chuàng)新。同時(shí),在該行業(yè)中,也要有新知識(shí)、新思路、新產(chǎn)品和新技術(shù)的引進(jìn)。與此同時(shí),要著力強(qiáng)化自己的技術(shù)團(tuán)隊(duì)和技術(shù)開發(fā),擔(dān)當(dāng)工藝開發(fā)、應(yīng)用開發(fā)的主要任務(wù),具有對(duì)聚丙烯酰胺這一精細(xì)化學(xué)品的多樣化的制造技術(shù),具有靈活方便的、易于改變劑型的制造工藝,具有掌握技術(shù)、熟悉3號(hào)絮凝劑產(chǎn)品特性的開發(fā)和推廣人員,以“專用絮凝劑”為指引,以礦產(chǎn)資源的合理開發(fā)為機(jī)遇,擴(kuò)大3號(hào)絮凝劑在生產(chǎn)中的應(yīng)用。

        (2)骨膠

        濕法煉鋅是當(dāng)前鋅工業(yè)的主要生產(chǎn)方法,而硫酸鋅提純與電積制鋅是濕法煉鋅過程中的關(guān)鍵步驟,其中含有大量的有機(jī)雜質(zhì),不僅會(huì)降低電鋅質(zhì)量,還會(huì)增加直流電耗,導(dǎo)致鋅粉用量增加。在鋅電積法中,不斷地在電解液中添加骨膠,以提高鋅片的品質(zhì)。在使用過程中,骨膠等物質(zhì)將會(huì)積累、增多,從而對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不良的影響。所以,對(duì)骨膠在硫酸鋅溶液凈化、鋅電積過程中的作用進(jìn)行了深入的探討,這對(duì)于大極板鋅電積過程的正常進(jìn)行、凈化成本的降低以及節(jié)能降耗都有著十分重大的理論意義和實(shí)際價(jià)值。

        骨膠屬于一種動(dòng)物膠,是一種鏈狀天然高分子材料,它的組成成分以蛋白質(zhì)為主,分子量為3000~80000,可溶解于水,在被投加到水中后,它的作用是通過吸附搭橋來促進(jìn)解穩(wěn)膠體顆粒的聚集。將骨膠與鋁、鐵等礦物混合,能取得良好的絮凝作用。骨膠也叫工業(yè)皮膠、工業(yè)明膠、動(dòng)物膠粘劑、環(huán)境膠粘劑、牛膠、動(dòng)物膠[5]。球形,以明膠蛋白為主,在水中溶解,在油、蠟、酒精、有機(jī)溶劑等中極難溶解。骨膠是由氨基和羧基的簡單聚肽鏈分子構(gòu)成的,它是一種相對(duì)分子質(zhì)量>10000的多肽,它的膠接性能好、強(qiáng)度高、水分少、容易干燥。骨膠的優(yōu)勢是它的分子結(jié)構(gòu)中包含了許多諸如羥基氨基之類的極性基團(tuán),所以它對(duì)極性物質(zhì)的附著力很高,而且它的成膜性非常好。但其不足之處是,骨膠不耐水性,遇水會(huì)引起膠層膨脹而喪失粘接能力,抗腐蝕性較低,溫度、濕度的改變會(huì)對(duì)其產(chǎn)生較大的影響。

        6.結(jié)論

        濕法冶金使用絮凝劑指的是礦石溶出后,在料液中添加的一種可以進(jìn)行絮凝沉淀的化學(xué)藥劑,它與料液中具有電性的顆粒接近,利用其低的電勢,使得帶有電性的顆粒形成膠體,這種膠體絮凝成團(tuán),從而從溶液中脫離出來。因此,研發(fā)出一種新型、高效、環(huán)境友好、價(jià)格低廉的濕法冶金用絮凝劑,成為該領(lǐng)域的重要發(fā)展方向。濕法煉鋅過程比較復(fù)雜,而且變化很大,在具體的生產(chǎn)過程中,應(yīng)該按照焙燒礦等原料的各元素含量以及具體的生產(chǎn)情況,來調(diào)節(jié)和使用冶煉過程中的添加輔料。從上述的試驗(yàn)中我們可以發(fā)現(xiàn),要針對(duì)不同的含硅物質(zhì)來調(diào)節(jié)所生產(chǎn)的絮凝劑,在對(duì)低硅物質(zhì)進(jìn)行浸出的過程中,只需要3號(hào)絮凝劑就可以達(dá)到生產(chǎn)的要求。但是,如果原料中ω(SiO2)含量較高(≥5%),則需要在3號(hào)絮凝劑的基礎(chǔ)上,再添加一定量的骨膠,這樣才能達(dá)到最好的混合作用,這對(duì)于提高生產(chǎn)效率,降低生產(chǎn)成本有著非常實(shí)際的作用。

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