酸碱法生产活性氧化锌经济性差异对比分析

蔡建国

（江苏银茂控股集团有限公司，江苏 南京 210033）

酸碱法生产活性氧化锌经济性差异对比分析

蔡建国

（江苏银茂控股集团有限公司，江苏 南京 210033）

通过对4种生产活性氧化锌工艺，即酸法的加纯碱（Na2CO3）法和加碳酸氢氨（NH4HCO3）法，氨浸法的加热蒸氨让氨挥发法和通入二氧化碳碳化法的差异部分的经济性进行分析，对比发现碱法总体优于酸法，其中以氨浸蒸氨法经济性最佳。酸法不仅存在浸出剂和合成剂消耗成本高，而且酸法生产活性氧化锌会产生大量的废水，废水处理成本高于回收产品的收入，经济性较差。因此推荐用氨浸蒸氨法生产活性氧化锌，不仅经济而且环保。

活性氧化锌；浸出成本；合成成本；废水处理成本；回收产品收入

湿法生产活性氧化锌是废锌资源再利用的一种途径，其产品具有较高的表面活性和较大的比表面积，拥有普通氧化锌所无法比拟的特殊性能，在橡胶、涂料、催化剂和化纤等行业中有着广泛的应用前景［1］。湿法生产活性氧化锌工艺繁多，往往为企业在工艺选择上带来困扰。笔者就4种典型的酸碱法生产活性氧化锌工艺中存在的差异部分做了经济对比分析，以期优选出较佳的工艺，为相关企业决策提供参考。

1 工艺流程分析

目前，中国湿法生产活性氧化锌比较成熟的酸法工艺为硫酸法，碱法工艺为氨浸法。硫酸法的工艺流程见图1，其合成方法有加纯碱（Na2CO3）和加碳酸氢氨（NH4HCO3）两种。氨浸法的工艺流程见图2，其合成方法有加热蒸氨让氨挥发和通入二氧化碳碳化两种。

图1 硫酸法生产活性氧化锌工艺流程图

图2 氨浸法生产活性氧化锌工艺流程图

从图1、图2的工艺流程分析可以发现，酸法和碱法生产活性氧化锌的工艺差异主要在浸出和合成两个工序，因此针对该差异部分做了经济性分析对比，以期找到最佳的生产工艺。

2 经济性分析

2.1 硫酸法

2.1.1 浸出

酸法浸出工序浸出剂为硫酸，浸出反应式：

反应中考虑到其他金属的耗酸和让锌充分浸出等因素，硫酸过量系数取1.2（下述无特别注明，其除锌以外的辅料过量系数均为1.2），因此每生产1 t活性氧化锌需要硫酸：98/81.5×1.2=1.44 t。硫酸的价格波动较大，笔者采用江苏银茂控股集团有限公司2002—2008年的平均价420元/t，则浸出剂成本为420×1.44≈605元/t。

2.1.2 合成

1）纯碱法。该方法主要是向用硫酸浸出净化好的含锌母液中加入纯碱，其反应式：

由式（2）可知，单位活性氧化锌需要纯碱：106/81.5× 1.2=1.56 t。纯碱价格为1 500元/t，则纯碱法合成剂成本为1 500×1.56=2 340元/t。

硫酸纯碱法的废水中有大量的硫酸钠必需浓缩回收，直接排放会污染环境。废水处理消耗的煤按20 930 kJ/kg计，煤价为600元/t，热能有效利用系数为0.4（以下煤的相关数据同上）。假设浸出净化母液锌的质量浓度为110 g/L，加入的Na2CO3质量分数为50％，其沉淀Zn5（CO3）2（OH）6中水的质量分数为40％（忽略比重因素），则每1 L净化母液合成反应过滤后需要浓缩的水量＝净化母液质量－硫酸钠质量－沉淀物和所带的水质量－反应消耗的水的质量＋加入合成剂所加的水质量，即1 000－142/65.5×110× 1.2－110×549.5/327.5×（1＋0.4）－110×54/327.5＋106/ 65.5×110×1.2=1 000－286－258－18＋214=652 g。

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假设净化母液合成反应过滤的温度为50℃，则单位活性氧化锌废水处理消耗的煤的成本：65.5× 1 000/0.11/81.5×0.652×［（100－50）＋540］×4.186/ 20 930/0.4×0.6=843元/t

每生产1 t活性氧化锌废水处理的设备折旧、人员工资、其他动力消耗和回收产品包装大约为300元/t，则单位废水处理成本为843＋300=1143元/t。

硫酸纯碱法每生产1 t活性氧化锌废水处理能回收硫酸钠（Na2SO4）：142/81.5×1.2=2.1 t。硫酸钠按500元/t计，则回收产品收入：2.1×500=1 050元/t。

硫酸纯碱法每生产1 t活性氧化锌浸出加合成的综合成本=浸出剂成本＋合成剂成本＋废水处理成本－回收产品收入，即605＋2 340＋1 143－1 050= 3 038元/t。

2）碳酸氢氨法。该方法主要是向用硫酸浸出净化好的含锌母液中加入碳酸氢氨，其反应式：由式（3）可知，每生产1 t活性氧化锌需要碳酸氢氨：158/81.5×1.2=2.33 t。碳酸氢氨的价格为700元/t，则单位活性氧化锌合成剂成本为700×2.33=1 631元/t。

硫酸碳酸氢氨法的废水中有大量的硫酸氨必需浓缩回收，直接排放会污染环境。假设浸出净化母液锌的质量浓度为110 g/L，加入的碳酸氢氨质量分数为65％，其沉淀Zn3（OH）4CO3H2O中水质量分数为40％（忽略比重因素），每1 L净化母液合成反应过滤后需要浓缩的水量=净化母液质量－硫酸氨质量－沉淀物和所带的水质量＋加入合成剂所加的水质量，即1 000－132×110/161.5×1.2－110×342.5/196.5×1.4＋110×158/161.5×35/65×1.2=1 000－108－268＋70= 694 g。

假设净化母液合成反应过滤的温度为50℃，则每生产1 t活性氧化锌废水处理消耗的煤的成本：65.5×1 000/0.11/81.5×0.694×［（100－50）＋540］×4.186/ 20 930/0.4×0.6=897元/t。

每生产1 t活性氧化锌废水处理的设备折旧、人员工资、其他动力消耗和回收产品包装大约为300元/t，则单位废水处理成本为897＋300=1197元/t。

硫酸碳酸氢氨法每生产1 t活性氧化锌废水处理能回收硫酸氨［（NH4）2SO4］：2.33×132/158=1.947 t。硫酸氨价格按600元/t计，则回收产品收入：1.947× 600=1 168元/t。

硫酸碳酸氢氨法每生产1 t活性氧化锌浸出加合成的综合成本=浸出剂成本＋合成剂成本＋废水处理成本－回收产品收入，即605＋1631＋1 197－1 168= 2 265元/t。

2.2 氨浸法

2.2.1 浸出

氨浸法浸出时发生的主要反应［1］如下：

由于浸出剂氨水和碳酸氢氨消耗量和后续的合成工序回收产品相关，其浸出剂的消耗成本和合成工序成本一起计算。

2.2.2 合成

1）蒸氨。将浸出净化母液通过蒸汽加热使氨挥发，破坏浸出净化母液中的锌氨络合使锌以碱式碳酸锌析出，其反应式：

其蒸发的氨和二氧化碳经冷却回收返回浸出工序循环使用。从反应式（4）、（5）可知，回收的氨和二氧化碳不能直接返回浸出工序循环使用，还需要补充一定量的碳酸氢氨，补充量为（每生产1 t活性氧化锌）：79/81.5×1.2/3=0.388 t。碳酸氢氨的价格为700元/t，则单位活性氧化锌碳酸氢氨消耗成本为700×0.388≈272元/t。

每生产1 t活性氧化锌蒸发氨的量：68/81.5× 1.2=1 t。每生产1 t活性氧化锌蒸发二氧化碳的量：44/81.5×2/3×1.2=0.432 t。每生产1 t活性氧化锌需浸出净化母液量：65.5/81.5/0.11=7.3 t。设浸出净化母液蒸发前温度为25℃（忽略母液比重），则可以计算出单位活性氧化锌需消耗的蒸汽量为1 691 kg，从而计算蒸氨耗煤成本为：［1 691×（540＋75）］×4.186/20 930/0.4×0.6=312元/t。

其回收装置折旧和其他动力消耗按每生产1 t活性氧化锌100元计，废水可达标排放。氨浸蒸氨法每生产1 t活性氧化锌浸出加合成的综合成本：272＋312＋100=684元/t。

2）碳化。该方法是向氨浸出的净化母液充入二氧化碳，以碳化的方法沉淀析出碱式碳酸锌，其反应式：

该反应为放热反应，为了促进反应的持续进行必须在反应釜中加装冷却器移去反应热，同时由于二氧化碳容易溢出必须在一定的承压容器中进行。反应过滤后的残液，返回浸出使用时必须加入一定量的浓氨水。根据某企业的生产实际，每生产1 t活性氧化锌需添加18％～20％（质量分数）的浓氨水1 t和碳化消耗二氧化碳1 t，浓氨水和二氧化碳单价分别为600元/t和550元/t，每生产1 t活性氧化锌其冷却装置折旧和其他动力消耗总计为100元，则单位活性氧化锌浸出加合成的综合成本：600＋550＋100=1 250元/t。

3 酸碱法经济性对比分析

通过计算和分析对比可知，总体上碱法的经济性优于酸法，其中以氨浸蒸氨法为最佳，综合成本仅为684元/t，比酸法中较为经济的硫酸碳酸氢氨法还少1 581元，造成这种差别的主要原因是酸法的浸出剂和合成剂成本消耗高，而碱法的浸出剂和合成剂可回收，且回收成本较低。另外酸法还存在废水处理的问题，废水处理成本高于回收产品的收入，经济效益低下。

4 结论

通过对酸碱法4种生产活性氧化锌工艺的经济性进行分析对比，得到碱法的氨浸蒸氨工艺经济性较佳的结论，并就造成差异的主要原因作了分析与探讨，以期为企业决策提供参考。

［1］舒万艮.有色金属精细化工产品生产与应用［M］.长沙：中南工业大学出版社，1995.

联系方式：cjg1960@hotmail.com

Comparative analysis on economical difference of activated zinc oxide production by acid/base methods

Cai Jianguo
（Jiangsu Yinmao Holding Group Co.，Ltd.，Nanjing 210033，China）

By analyzing the economical efficiency of the differences of four methods of manufacturing activated zinc oxide，which are the acid method of adding soda（Na2CO3），the acid method of adding ammonium hydrogen carbonate（NH4HCO3），the ammonia leaching-ammonia distillation method（evaporating ammonia by heating），and carbonization method（by inletting carbon dioxide），it′s found that the alkali methods are superior to the acid methods，and the ammonia leaching-ammonia distillation method is the most cost-effective one.Acid methods have higher consumption costs of leaching reagent and synthesizing agent.Furthermore，the acid methods produce a large amount of wastewater during the manufacture process of activated zinc oxide.Since the treatment cost of wastewater is higher than the revenue of product recovery，their economical efficiency is poor.In conclusion，it is recommended to use the ammonia leaching-ammonia distillation method to manufacture activated zinc oxide，because it is not only economical，but also environmentally friendly.

activated zinc oxide；leaching cost；synthesis cost；wastewater treatment cost；product recovery

TQ132.41

A

1006-4990（2013）08-0005-03

2013-02-12

蔡建国（1960—），男，高级工程师，主要从事纳米材料的研发工作，已公开发表文章8篇。