從含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣中微波浸出銦鋅的機(jī)理及工藝研究.pdf

1、銦作為一種具有獨(dú)特物理化學(xué)性能的稀散金屬,在國民經(jīng)濟(jì)中的作用和地位非常重要。伴隨著市場(chǎng)對(duì)銦需求量的劇增及銦礦的過度開采,富銦資源逐步走向枯竭,貧銦資源的開發(fā)變得尤為重要。銦一般伴生于鋅、錫等有色金屬礦中。目前,鋅冶煉普遍采用焙燒—浸出—電積的濕法煉鋅工藝,在該工藝的高溫焙燒工段,鋅精礦中所含的鐵和鋅在高溫氧化作用下不可避免地生成鐵酸鋅(ZnFe2O4),同時(shí)伴生的銦也以置換或填充的形式進(jìn)入鐵酸鋅晶格中,形成富銦鐵酸鋅(IBZF)。富銦鐵

2、酸鋅類似于鐵酸鋅,具有完好的正八面體結(jié)構(gòu),穩(wěn)定性好,常規(guī)酸浸對(duì)其溶解無能為力,屬難浸的載銦物相。因此,伴生銦的鋅礦經(jīng)濕法煉鋅浸出過程產(chǎn)生的鋅浸渣,為含富銦鐵酸鋅的貧銦固體廢棄物,屬于一類待開發(fā)利用的貧銦資源。
　　微波由于具有獨(dú)特的選擇性加熱、體積加熱等特點(diǎn),通過分子的高速轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生內(nèi)摩擦熱,能夠使得被加熱的分子得到活化,因此在礦物處理方面有著重要的應(yīng)用,其中微波用于礦物浸出技術(shù)是濕法冶金領(lǐng)域很有發(fā)展的一項(xiàng)新技術(shù),特別在處理難選、低

3、品位礦物方面有其優(yōu)越之處。為了從含富銦鐵酸鋅這一難浸物相的鋅浸渣中有效回收銦、鋅,克服傳統(tǒng)浸出法的諸多缺點(diǎn),課題利用微波輻射作為酸浸強(qiáng)化方法,研究含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣微波浸出銦、鋅。
　　首先以人工合成富銦鐵酸鋅為研究對(duì)象,通過實(shí)驗(yàn)揭示微波輻射強(qiáng)化銦、鋅浸出的內(nèi)在機(jī)制,并建立微波強(qiáng)化下富銦鐵酸鋅中銦、鋅浸出動(dòng)力學(xué)模型。在此基礎(chǔ)上,以工業(yè)鋅浸渣為原料進(jìn)行微波強(qiáng)化浸出銦、鋅實(shí)驗(yàn)研究,建立鋅浸渣的等溫、非等溫動(dòng)力學(xué)模型,獲得微波輻射鋅浸

4、渣的銦、鋅浸出的優(yōu)化工藝條件。主要研究內(nèi)容與結(jié)論如下:
　　(1)硫酸溶液、鋅浸渣在微波場(chǎng)中溫升行為研究。考察微波功率、硫酸濃度對(duì)液體物相-硫酸溶液微波溫升行為的影響;并考察微波功率、鋅浸渣固體物料質(zhì)量對(duì)固體物相-鋅浸渣微波溫升行為的影響。結(jié)果顯示,不同微波功率下硫酸溶液溫度最終都趨向于一個(gè)恒定值,隨著微波功率增大其相應(yīng)溫升速度加大,達(dá)到最高溫度所需時(shí)間縮短;在相同微波功率下,硫酸溶液達(dá)到最高的恒定溫度值隨硫酸溶液濃度的增大而提高

5、,而硫酸溶液的溫升速度隨硫酸溶液濃度的增大逐漸降低。微波功率越大,鋅浸渣固體物料的溫升越快,最后都趨向于一個(gè)穩(wěn)定的溫度值,微波功率越大鋅浸渣穩(wěn)定的溫度數(shù)值也越大;在一定微波功率下,鋅浸渣物料達(dá)到最高的溫度隨著物料質(zhì)量的增加而變化,是一先增加再減小的趨勢(shì),在某一物料質(zhì)量時(shí)會(huì)出現(xiàn)最大值。
　　(2)富銦鐵酸鋅的銦、鋅微波等溫浸出研究。對(duì)富銦鐵酸鋅恒溫下微波加熱浸出銦、鋅的可行性進(jìn)行研究,開展微波酸浸銦、鋅恒溫動(dòng)力學(xué)研究并與常規(guī)水浴酸浸

6、下銦、鋅恒溫動(dòng)力學(xué)進(jìn)行對(duì)比。采用比表面積分析儀、XRD和SEM對(duì)富銦鐵酸鋅樣品的比表面積、晶體結(jié)構(gòu)和顆粒形貌進(jìn)行表征分析。最后對(duì)微波輻射強(qiáng)化酸浸富銦鐵酸鋅做探討性機(jī)理分析。結(jié)果顯示,微波加熱浸出富銦鐵酸鋅明顯優(yōu)于常規(guī)水浴加熱浸出,微波強(qiáng)化加熱浸出富銦鐵酸鋅是可行的。攪拌速度400r/min可以消除反應(yīng)外擴(kuò)散;顆粒粒度對(duì)浸出率的影響不大;隨著反應(yīng)溫度的升高和硫酸濃度的增大,銦、鋅的浸出率增大。微波加熱下,當(dāng)溫度與硫酸濃度增加到一定程度,溫

7、度和硫酸濃度對(duì)銦、鋅的浸出影響減弱。采用表面化學(xué)反應(yīng)控制的未反應(yīng)縮核模型可以很好的擬合銦、鋅的浸出率數(shù)據(jù)。微波加熱下銦浸出的活化能Ea,In,MH77.374kJ/mol,比常規(guī)水浴加熱下的銦浸出活化能Ea,In,CH53.555kJ/mol增大;微波加熱銦浸出的AK0,In,MH相對(duì)常規(guī)水浴加熱銦浸出的AK0,In,CH增高,其頻率因子的比值K0,In,MH/K0,In,CH高達(dá)10818.36。微波加熱下鋅浸出的活化能Ea,Zn,M

8、H73.747kJ/mol,比常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出活化能Ea,Zn,CH57.467kJ/mol增大;微波加熱鋅浸出的AK0,Zn,MH相對(duì)常規(guī)水浴加熱鋅浸出的AK0,Zn,CH增高,其頻率因子的比值K0,Zn,MH/K0,Zn,CH為600.00。微波加熱導(dǎo)致頻率因子的劇烈增大為微波條件下浸出速率加大的主要因素。微波場(chǎng)內(nèi)H2SO4與ZnFe2O4、ZnFe2-mInmO4有效碰撞極大提高,為微波非熱效應(yīng)的強(qiáng)化作用。富銦鐵酸鋅中的銦在

9、微波場(chǎng)中具有一定的被選擇性強(qiáng)化浸出特性。
　　(3)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣銦、鋅微波等溫浸出研究。對(duì)鋅浸渣恒溫下微波加熱浸出銦、鋅可行性進(jìn)行研究,并開展微波加熱和常規(guī)水浴加熱下鋅浸渣中銦、鋅浸出恒溫動(dòng)力學(xué)研究,進(jìn)行動(dòng)力學(xué)數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果顯示,微波加熱浸出鋅浸渣中銦、鋅明顯優(yōu)于常規(guī)水浴加熱浸出,微波強(qiáng)化加熱浸出鋅浸渣中銦、鋅是可行的。攪拌速度500r/min可以消除反應(yīng)外擴(kuò)散;隨著反應(yīng)溫度升高和硫酸濃度增大,銦、鋅的浸出率增大。微波加熱

10、下,當(dāng)溫度與硫酸濃度增加到一定程度,溫度和硫酸濃度對(duì)銦、鋅的浸出影響減弱。表面化學(xué)反應(yīng)控制的未反應(yīng)縮核模型是鋅浸渣中銦、鋅浸出率數(shù)據(jù)擬合的理想模型。微波加熱下銦浸出的表觀活化能Ea,In,MH63.532kJ/mol比常規(guī)水浴加熱下的銦浸出表觀活化能Ea,In,CH54.536kJ/mol增大;相對(duì)常規(guī)水浴加熱下的銦浸出AK0,In,CH5.33×105,微波加熱下銦浸出的AK0,In,MH增高至1.57×107。同樣,微波加熱下鋅浸出

11、的表觀活化能Ea,Zn,MH59.249kJ/mol比常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出表觀活化能Ea,Zn,CH52.666kJ/mol增大;相對(duì)常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出的AK0,Zn,CH2.74×105,微波加熱下鋅浸出的AK0,Zn,MH也增高至3.36×106。微波加熱浸出體系中反應(yīng)物間有效碰撞總次數(shù)的顯著提升,為微波強(qiáng)化鋅浸渣中銦、鋅浸出的主要因素。
　　(4)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣銦、鋅微波非等溫浸出研究。研究微波恒功率輻射對(duì)鋅浸渣

12、中銦、鋅的非等溫浸出行為,并做相應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型推導(dǎo)和計(jì)算,得到鋅浸渣中銦、鋅的微波酸浸非等溫動(dòng)力學(xué)模型。結(jié)果顯示,隨著硫酸濃度的提高,銦、鋅的浸出率增大,但硫酸濃度超過1.5mol/L時(shí),銦、鋅浸出率增加均變緩慢。反應(yīng)體系的攪拌速度超過400r/min能夠消除鋅浸渣微波酸浸反應(yīng)外擴(kuò)散。隨著微波功率的增大及反應(yīng)時(shí)間的延長,反應(yīng)體系的溫度呈上升的趨勢(shì),其升溫速率與溫度呈非線性關(guān)系。不同功率的微波輻射能夠改變鋅浸渣非等溫酸浸銦、鋅的反應(yīng)活化能和

13、頻率因子,對(duì)反應(yīng)的影響為非線性的。隨著微波功率的增大,反應(yīng)的活化能及頻率因子首先減小,微波功率增大到一定程度,反應(yīng)活化能和頻率因子又增大。
　　(5)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣微波酸浸銦、鋅的工藝研究。以含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣為原料,考察常規(guī)酸浸、微波預(yù)處理+常規(guī)酸浸、微波酸浸、微波預(yù)處理+微波酸浸四種不同工藝方案浸出銦、鋅的效果,在確定工藝方案的基礎(chǔ)上,對(duì)浸出工藝條件進(jìn)行了優(yōu)化,得出了最優(yōu)的浸出工藝路線。結(jié)果表明,四種考察工藝中,含富銦

14、鐵酸鋅的鋅浸渣微波直接酸浸工藝具有明顯優(yōu)勢(shì)。相對(duì)于常規(guī)酸浸工藝,微波直接酸浸工藝對(duì)銦、鋅的浸出效果有了明顯的提高,從而降低浸過程對(duì)溫度和硫酸濃度的高依賴性,有效縮短了浸出時(shí)間,強(qiáng)化了浸出過程。針對(duì)微波輻射的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)結(jié)合含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣的組分特點(diǎn),并綜合考慮簡化工藝條件和節(jié)約能源等,微波直接酸浸銦、鋅的優(yōu)化工藝條件為:微波酸浸攪拌速度550r/min、硫酸初始濃度1.5mol/L、液固比10、溫度75℃、反應(yīng)時(shí)間90min。在優(yōu)化工藝