《锌湿法冶金》PPT课件.ppt

第六章第六章 重金属湿法冶金（以锌为主）重金属湿法冶金（以锌为主）重金属冶金学重金属冶金学 第二版，彭秋容第二版，彭秋容 编编湿法炼锌学湿法炼锌学 梅光桂，王德润，周敬元梅光桂，王德润，周敬元 王辉编著王辉编著一一.概述概述冶金方法或过程分为湿法冶金和火法冶金湿法冶金和火法冶金。湿法冶金是在水溶液中进行的提取冶金过程。用试剂浸出矿石、精矿或其他原料中所含的有价组分，使其进入液相，再对液相中的组分进行分离和富集，最后以金属或其他化合物的形式加以回收的方法。整个湿法冶金过程分为三个步骤：浸出，净化，金浸出，净化，金属沉积或提取属沉积或提取。湿法冶金与火法冶金比较，优点有湿法冶金与火法冶金比较，优点有：（1）适应范围更广。湿法冶金适合高、中、低品位的原料，而火法冶金要求用高品位的原料。（2）能耗低。湿法冶金一般在较低温度下进行，能耗低，而火法冶金都是在高温下进行的。（3）工艺过程绿色环保。湿法冶金在提取有价组分的过程中，原料中的某些有毒有害的组分大都以沉淀物的形式留在渣中，容易处理，对环境的危害小。（4）成本低。（5）综合利用能力强。能同时提取原料中的各种有价组分。（6）湿法冶金更容易制备出高纯甚至超高纯的产品。（7）湿法冶金获得的产品的种类多样化。二二.锌湿法冶金锌湿法冶金 湿法冶金已经应用于各种金属的冶金过程，随着矿石中有价金属品位的不断降低，这种趋势一定会得到进一步加强。锌冶金中有80%以上的锌是通过湿法冶金得到的。锌的湿法冶金在各种金属的湿法冶金过程很有代表性，下面我们重点讲解锌的湿法冶金。锌的湿法冶金过程包括：锌焙砂浸出锌焙砂浸出，浸出液净化浸出液净化，硫酸锌溶硫酸锌溶液电解沉积液电解沉积。下面分别介绍。1.浸出浸出 重金属湿法冶金浸出方法：酸浸、碱浸、盐浸、氧化浸出，还原浸出、细菌浸出等。硫化锌精矿经沸腾焙烧后得到的焙砂除含ZnO外，还含有各种金属化合物，如CaO、MgO、Fe3O4、CuO、PbO、CoO、NiO以及铁酸锌（ZnFe2O4）等。浸出锌焙砂常用的方法是酸浸，酸浸用的酸是稀硫酸。氧化锌以及其他各种金属氧化物都比较容易溶解于稀硫酸介质中，但铁酸锌溶解比较困难，因此为了提高锌焙砂中锌的浸出率，锌焙砂的浸出一般分为三个阶段：中性浸出、酸性浸出和中性浸出、酸性浸出和浸出残渣挥锌浸出残渣挥锌。浸出工艺流程见图1（常规浸出流程）。中性浸出中性浸出 酸性浸出酸性浸出 挥锌挥锌 图图1 锌焙砂浸出的一般流程锌焙砂浸出的一般流程 中性浸出：中性浸出：中性浸出使用的浸出剂浸出剂为全部酸性浸出液和硫酸锌溶液的部分电解废液。中性浸出只能浸出焙砂中的部分锌，大部分锌还留在渣中有待酸性浸出。中性浸出终点的pH=5.0 5.2。pH过高，则锌浸出率低；Zn2+容易水解损失；pH大于5.2时，氢氧化铁胶体带负电，影响浸出液中As砷、Sb锑等杂质的共沉淀分离。pH过低，如当低于5.0时，Fe3+的水解沉淀不完全。中性浸出液中的杂质主要来自于浸出剂（酸性浸出液）。中性浸出的目的中性浸出的目的：浸出大部分ZnO；分离锌与其他大部分杂质。中性浸出主要反应为：ZnO+H2SO4=ZnSO4+H2O 酸性浸出酸性浸出：中性浸出的渣还含有大量锌，需要进一步浸出。酸性浸出有低酸（约60oC，15g/L硫酸）浸出和热强酸性（约8595oC，2060g/L硫酸）浸出。低酸浸出：低酸浸出中性渣时，铁酸锌的浸出率不大，一般仅为13%，低酸浸出的渣含锌20%以上，主要是铁酸锌。为了回收锌，还需将渣高温挥锌或热酸性处理，工艺比较复杂。高温、高酸浸出：目前新建的厂大都采用高温、高酸（约90oC，始酸120150g/L，终酸4060g/L）浸出中性渣。经高温、高酸浸出，铁酸锌的浸出率达90%以上，浸出渣中锌含量也随之大幅度降低，浸出后含铅、银的渣外排堆存。高温、高酸浸出过程中铁的浸出率也大幅度增加，铁离子浓度达到30g/L以上，这种酸性浸出液不能直接返回中性浸出工段，需经除铁后才能返回。中性浸出液和热强酸浸出液的除铁方法见净化工段。ZnFe2O4+4H2SO4=ZnSO4+Fe2(SO4)3+4H2O挥锌：挥锌：低酸浸出渣中还含有铁酸锌（ZnO.Fe2O3）、少量硫化锌（ZnS）、硫酸锌（ZnSO4）、氧化锌（ZnO）、硅酸锌（ZnO.SiO2）等物质，需要进一步处理，处理方法一般采用高温还原挥锌。处理设备有回转窑和平炉，回转挥锌效率高，达90%，平炉挥锌较低，约为80%。挥锌原理是将浸出渣与含硫低的无烟煤混合，在11001300oC下，锌被还原为金属锌蒸汽，锌蒸汽与空气中的氧反应变为氧化锌，气体经冷却，收尘，得含锌5065%的次氧化锌，次氧化锌可以直接当作产品出售，也可以进一步处理，制金属锌或高纯氧化锌。以上三段浸出工艺复杂，自上世纪60年代除铁新技术诞生以后，锌焙砂浸出可以采用二段浸出工艺，见图2。中性浸出中性浸出 高温高酸酸性浸出高温高酸酸性浸出图图2 锌焙砂高温高酸浸出流程锌焙砂高温高酸浸出流程 2.净化净化 湿法冶金净化方法湿法冶金净化方法：离子沉淀法、置换法、有机溶剂萃取法、离子交换法、膜分离法、结晶法等。锌焙砂浸出液净化方法常用离子沉淀法和置换法分离杂质离子。从前面的讲解可知，锌焙砂的浸出是多段浸出，最终得到的浸出液除含锌离子（160165g/L）外，还含有各种杂质离子，这些杂质离子有：Fe3+、Fe2+、Cu2+、Co2+、Ni2+、锑（Sb）、砷（As）等，其中高温高酸浸出液中铁离子浓度高达30g/L以上，其他杂质浓度较低，但危害大，都要进行净化分离。表1为中性浸出液成分，表2为净化后的新液成分。表表1 锌焙砂中性浸出液的成分（锌焙砂中性浸出液的成分（g/L）对净化液的要求对净化液的要求：Cu0.0005g/L、Ni0.001g/L、Co，砷、锑、锗的浓度低于0.0001g/L。表表2 净化后的新液成分（净化后的新液成分（g/L）1）中性浸出液中）中性浸出液中Fe2+的氧化和的氧化和Fe3+与与As、Sb的共沉淀的共沉淀 分离分离铁沉淀：铁沉淀：Fe2+离子水解沉淀的pH较高，甚至高于Zn2+水解的pH，所以不能用水解法除Fe2+，需要将Fe2+氧化为Fe3+后，才能用中和法控制pH约5将其水解除去。氧化剂常用的是软锰矿（MnO2）或空气。MnO2+2Fe2+4H+=Mn2+2Fe3+4H2O 离子（离子（1M）开始沉淀开始沉淀pH 沉淀完全沉淀完全pH（10-5M）Fe3+1.5 4.1 Zn2+5.4 6.4 Fe2+6.5 9.7 As、Sb的沉淀的沉淀：pH大于5时，Fe3+全部水解生成Fe(OH)3胶体，胶体的等电点在pH=5.2左右，小于5.2时，胶体带正电，而在此pH值时，As和Sb以AsO43-和SbO43-形态存在，它们相互吸引而共沉淀，这也是中性浸出终点这也是中性浸出终点pH为什么控制在小于为什么控制在小于5.2的原因的原因。为了将Sb和As沉淀完全，溶液中的铁含量应在Sb+As总量的10倍以上。2）高温、高酸浸出液中铁的沉淀方法）高温、高酸浸出液中铁的沉淀方法高温、高酸浸出液中Fe离子浓度在30g/L以上，如此高的杂质铁不能用简单的水解法分离。1960年以来，工业上先后用更先进的黄钾铁矾法、转化法、针铁矿法、赤铁矿法除铁。这些方法的优点是：铁的沉淀结晶性能好，易沉降、过滤和洗涤。黄钾铁矾法应用最普遍，可以直接将Fe3+沉淀，针铁矿法和赤铁矿法需要控制较低的Fe3+的浓度，为此需要将大部分Fe3+还原为Fe2+。（1）黄钾铁矾法）黄钾铁矾法为了减少碱的消耗，高温、高酸浸出液可先用锌焙砂预中和，调节pH为为，过滤，得到的渣返回高温、高酸浸工段；滤液加入阳离子M+（M+为NH4+、Na+、K+等），加热至90-100oC，保温34h，生成铁矾沉淀，过滤，铁矾外排，滤液残留的铁浓度为1-3g/L，用于中性浸出。3Fe2(SO4)3+2MOH+10H2O=2MFe3(SO4)2(OH)6+5H2SO4 （2）针铁矿法）针铁矿法针铁矿法要求控制Fe3+浓度小于1g/L，为此有两种方法除高浓度的Fe3+。方法方法1（V.M法法Vieille Montagne比利时老山公司比利时老山公司）：）：用还原剂（ZnS，85-90oC）将Fe3+还原为Fe2+，然后在80-90oC和条件下用空气将Fe2+氧化为Fe3+，则生成针铁矿。2Fe3+ZnS=2Fe2+Zn2+S2Fe2+1/2O2+H2O+2ZnO=2FeOOH +2Zn2+方方法法2（E.Z法法Electrolytic Zinc澳澳大大利利亚亚电电锌锌公公司司)：将浓的Fe3+溶液与中和剂一起均匀缓慢加入到8090oC不含铁的溶液中，沉铁过程中始终保持pH=2.03.5和Fe3+浓度小于1g/L，则Fe3+生 成F e2O3.0.64H2 3沉 淀。沉 淀 后F e3+1g/L。（3）赤铁矿法）赤铁矿法 先将Fe3+还原为Fe2+，然后控制H2SO42%和180-200oC下，氧化生成Fe2O3。沉淀后Fe3+3g/L。2Fe2+1/2O2+2H2O=Fe2O3+4H+3）硫酸锌溶液（中性浸出液）的净化）硫酸锌溶液（中性浸出液）的净化中性浸出过程中，铁、砷、锑、锗等杂质大部分水解沉淀除去，但还含有各种其他杂质离子，它们分别是铜、镉、钴、镍、氟和氯以及少量砷、锑等离子，这些离子对锌的电解都十分有害，需要净化除去。（1）净化除铜镉）净化除铜镉工业上用锌粉置换法分离硫酸锌溶液中的铜镉，置换法的理论依据是锌的活性比铜镉大。Zn+Cu2+=Cu+Zn2+Zn+Cd2+=Cd+Zn2+除铜镉条件：温度45-50oC，锌粉用量为理论用量的倍倍，锌粉粒度为以下以下。（2）净化除钴）净化除钴热力学上锌粉可以将钴置换沉淀完全，但由于动力学因素的影响，也就是反应速度太慢，实际过程中需要加入添加剂才能将钴沉淀完全。添加剂有铜盐、砷盐、锑盐等物质。A.铜盐和砷盐法铜盐和砷盐法 在中性或弱酸性硫酸锌溶液中加入铜盐或砷盐，温度为75-80oC，铜离子首先被锌置换，形成Cu-Zn微电池，降低了钴的超电势，使钴易置换沉淀。砷盐法原理类似，但有毒性气体物质AsH3生成，可用无毒锑盐法代替。B.锑盐法锑盐法锑盐法是在硫酸锌溶液中加入锑盐（酒石酸锑钾），通过形成Sb-Zn微电池降低钴的超电势达到除钴的目的。置换钴的温度50oC。另外还有黄药除钴法等。3.金属沉积金属沉积 金属沉积方法有：电解沉积、金属置换沉积和气体还原沉积等方法。用于硫酸锌溶液金属锌沉积的方法是电解沉淀法。用上述净化后的硫酸锌作电解液，加入适当的添加剂，用铝作阴极，铅银合金作阳极。温度控制在30400C，电解得电积锌。1）阳极过程）阳极过程采用铅银合金为阳极是因为一方面铅锌合金表面上的铅因形成PbO2保护膜，不致继续电解，也不致与电解液反应。另一方面是氧在其上的超电位较低，氧易析出。所以阳极上的反应是氧气的析出。2H2O-4e=O2+4H+2）阴极过程）阴极过程氢在铝板上析出的超电位很大，它与锌相比较，锌离子在阴极上更易析出，所以阴极反应为：Zn2+2e=Zn3）影响电流效率的因素）影响电流效率的因素（1）电解液中杂质的影响）电解液中杂质的影响铜、镍、钴的存在，它们会在阴极上析出，与锌形成微电池，使锌溶解（阳极），使H+析出（阴极）。结果因锌溶解，电流效率 降 低，而 且 使 锌 表 面 产 生 小 黑 点 和 孔 眼。允 许 浓 度：Cu0.5mg/L、Ni1.0mg/L、Co3-5mg/L。砷、锑、锗的存在，影响原因同上，但影响更大，要求浓度低于0.1mg/L，浓度达1mg.L-1时，将使锌电积无法进行。如锗的影响，杂质锗在锌电解过程中反复发生如下反应，重复放电，消耗电能，降低电流效率。Ge4+4e=GeGe+4H=GeH4GeH4+4H+=Ge4+4H2杂质在锌电解过程的影响杂质在锌电解过程的影响：降低电流效率（杂质电解沉淀积后形成杂质M锌微电池，使锌复溶；氢在杂质金属上的超电势大都低于在金属锌上的超电势，使氢容易析出）；影响金属锌的质量（化学质量和物理质量）。（2）电解液温度的影响）电解液温度的影响温度升高，氢超电位下降，使析出锌的同时，也析出氢气，电流效率下降。（3）电解液酸度的影响）电解液酸度的影响酸度大，氢电极电位下降，更易析出。另外酸度大，锌易与酸起反应，它影响电流效率。（4）阴极上的表面状态及电解周期的影响）阴极上的表面状态及电解周期的影响阴极表面粗糙，则表面积大，氢超电位下降，易析出氢。另外锌也更容易与溶液起反应而溶解。电解时间长，阴极上可能长出长刺，严重时可使电极短路，影响电流效率。（5）其他影响）其他影响：锌离子浓度、电流密度、漏电等。4）添加剂的作用）添加剂的作用锌电积要加入一定的添加剂，其作用是提高电流效率、电积锌质量和提高电积锌的剥脱能力等。添加剂一般由SrCO3（硫酸与碳酸锶起反应生成硫酸锶）、胶（动物胶等），吐酒石（K(SbO)C4H4O6）组成。电积锌中铅含量不易达到要求。溶液中的Pb2+主要来自阳极（铅银合金）。是阳极电化学反应溶解的结果。进入溶液中的铅易在阴极上析出，影响电积锌的铅含量。另外阳极泥中含PbO2，造成机械夹带。减少电积锌中铅含量可以采取的方法：一是加入SrCO3，与硫酸反应生成SrSO4与PbSO4形成混晶沉淀除去。二是如果溶液中含有（或加入）一定的Co2+，因其能降低阳极放电电位，减少了阳极腐蚀，进而减低铅含量。加入的胶易在电积锌的突出不均匀部位吸附，阻止其继续增长，进而能阻止氢的析出和锌的溶解等。加入吐酒石是使锌易剥脱。当阴极上的Al2O3膜被破坏或有凹陷时，锌不易剥脱，加入吐酒石后，因：K(SbO)C4H4O6+H2SO4+H2O=Sb(OH)3+H2C4H4O6+KHSO4反应生成的胶体Sb(OH)3带正电，吸附在铝板上，形成一层膜，使锌易剥脱下来。5）电流效率）电流效率 电流效率是指电积过程中金属在阴极上实际沉积的量与在相同条件下按法拉第定律计算得出的理论量之比：式中t为电解时间，I为电流强度，q为锌的电化学当量（1.22g/A.h），为电流效率，N为电解槽数，W为电解时间内实际析出的锌量（克）。6）槽电压）槽电压槽电压是指电解槽内相邻阴阳电极之间的电压降数值。槽电压由下列各部分构成：V槽=V分+V极+V液+V泥+V接V分为理论分解电压，为超电势，V极为阴阳极电阻压降，V液为电解液电阻压降，V泥为阳极泥电阻压降，V接为电路接触点电阻压降。锌电解的槽电压一般波动在伏特之间。三三.氨浸法氨浸法 氨浸法是用碳酸氢铵和氨水浸出次（粗）氧化锌、锌烟尘或菱锌矿等物料，使锌溶解生成锌氨配合物进入溶液，再经净化，蒸氨，锌氨配合物分解得碱式碳酸锌，热解碱式碳酸锌得活性氧化锌。氨浸法（碱法）浸出能有效浸出物料中的锌，而杂质钙、镁、硅、铁等几乎不溶解，浸出液中钙、镁、硅等分离一直是难题，因此可以用氨浸法制备高纯锌产品，比如高纯活性氧化锌、氯化锌、硫酸锌等。1.浸出浸出氨与含锌物料反应生成锌氨配合物，少量杂质主要是重金属杂质与氨反应生成配合物进入溶液。浸出条件：氨浓度143g/L（理论量的1.3倍），液固比3.5：1，浸出温度5060oC，时间2h，锌浸出率达97%以上。ZnO+3NH3.H2O+NH4HCO3=Zn(NH3)4CO2+4H2OZnCO3(菱锌矿)+4NH3.H2O=Zn(NH3)4CO2+4H2OZnO.SiO2.H2O(异极矿)+4NH3.H2O=Zn(NH3)4CO2+4H2O+SiO22.净化净化氨浸液中含有铜、镉、铅、铁、锰等杂质，Cu12.729.7mg/L，Cd2935mg/L，Pb2131mg/L，Fe12mg/L，Mn25mg/L。浸出液用锌粉置换除杂，净化条件：175147m锌粉，温度5060oC，时间1h。净化结果：Cu0.10.3mg/L，Cd1.93.2mg/L，Pb25mg/L，Fe0.9mg/L，Mn0.1mg/L。3.蒸氨蒸氨净化以后的溶液在常压下用100oC的水蒸汽通入净化液中，搅拌23h，锌氨配合物分解为碱式碳酸锌、氨气和二氧化碳，氨气和二氧化碳经冷凝回收。3Zn(NH3)CO2+4H2O=ZnCO3.2Zn(OH)2.H2O+12NH3+2CO24.碱式碳酸锌热解碱式碳酸锌热解碱式碳酸锌热解得活性氧化锌。条件：450550oC，2h。ZnCO3.2Zn(OH)2.H2O=3ZnO+4H2O+CO2习习 题题1.湿法冶金有哪些步骤？2.指出湿法冶金的优点。3.锌湿法冶金有哪些步骤？4.为什么锌焙砂中性浸出的pH控制在5.05.2？5.怎样强化铁酸锌的浸出？6.为什么铁浓度大时不能用中和法除？7.铁浓度大时，有哪些除铁方法？8.杂质对锌电解有哪些影响？9.影响锌电解电流效率的因素？