湿法炼锌中废渣的综合回收利用技术研究

王秋银，张国莹，赵 煜，贾开程

（云南省能源研究院有限公司，云南 呈贡 650501）

锌资源是我国重要的矿产资源，已探明的锌储量占世界总储量的18%以上。由于我国对锌资源需求量巨大，已开发产量已经不能保持供需平衡。因此，从含锌废渣中回收利用锌资源具有重要的意义，有利于促进矿产资源的循环利用并推动其可持续发展。含锌废渣对水体、大气和土壤均存在一定程度的污染，其固体废物具有毒性特征。如果不采取有效的措施，则会对生态系统造成危害，威胁人类生命健康[1]。此外，锌矿中常伴生有铜、银和金等贵重金属资源，对其废渣进行回收利用，不仅可以增加金属产量，还可以减少环境污染，因此有必要研发出一种综合回收利用技术，提升资源的利用价值。目前我国主要使用鼓风炉炼锌和湿法炼锌进行锌金属的冶炼，其中湿法炼锌具有低能耗和低污染排放的优点，进而被广泛应用于锌金属的生产工艺中。本文以湿法炼锌中的废渣为研究对象，提出一种综合回收利用技术，科学和规范化地利用含锌废渣，为锌金属冶炼行业的发展提供理论参考。

1 湿法炼锌中废渣的综合回收利用技术

1.1 建立锌浸出渣过程的热动力学模型

为实现湿法炼锌中废渣的综合回收利用，首先建立出渣过程的热动力学模型。该模型主要用于分析废渣浸出过程、各元素的溶解程度和稳定范围，以此确定还原反应的平衡条件。在固定温度的条件下，金属蒸气的挥发性随压强的增加而增加。根据锌的易挥发性，将其从浸出渣中还原成蒸汽，冷凝后得到固态金属，由此实现与其他伴生矿产元素的分离，达到提取锌的目的。使用吉布斯函数确定反应能够自发进行，其计算公式如下：

式（1）中，G和 0G分别表示反应和标准的吉布斯自由能；α为常数；T表示热力学温度；p和0p分别表示反应和标准态气压；m表示化学计量数。当G＜0时，认为反应可以自发进行；反之，则不能自发进行。在G值为0时，达到平衡状态。在锌浸出渣中，锌主要表现为硫酸盐和氧化物的形式，而铜等有价金属表现为单质状态，对废渣使用浸取剂进行酸浸，发生还原反应。锌以稳定的离子状态进入溶液，因此，浸出过程即为固体与溶液的多相反应。固相与液相的交界处，存在离子饱和层，溶解的锌离子通过饱和层向外扩散，进一步加剧还原反应。反应的程度可采用浸出速度进行衡量，其计算公式可表示为：

式（2）中，w表示固相浸出量；t表示时间；z表示浸出物质从固相转移到液相的单位质量；λ表示固液交互面积。固液交互作用从表面向中心发展，与反应物浓度和温度等多种因素相关。在中心处出现反应核时停止交互，即完成浸出过程。

1.2 选择废渣浸取剂

从所构建的热动力模型中可以看出，锌浸出渣是一个多相交互反应的分段过程，为提高整个反应的浸出速度，需要对主要的影响因素进行控制。其中，废渣浸取剂的选取对于锌渣中锌的回收利用具有重要影响。本文在酸洗过程中，选择硫酸作为浸出剂。在当酸浓度较低时，锌的溶出几率较高，在溶液中能够具有较高的富集度，而其他有价金属的溶出几率相对较低，因此能够实现锌的分离。一般情况下，浸出液酸度越高，效果越好，但过高的酸度会造成反应时间的延长。因此，需要对浸出过程中的酸度进行控制，同时保证反应终止时的弱酸环境，以便于锌金属浸出[2]。在浸出过程中，不可避免地出现乳化现象，形成有机相影响固相和液相的交互浸出。有机相通常出现在固相和液相的界膜处，相当于表面活性物质，不仅降低固相物溶解度，还对溶液造成污染。对此，需要在废渣浸出过程中消除乳化现象。通过加入适度的萃取剂，可以去除有机相活性物质。本文选择磷类酸性萃取剂进行浸出液的净化，实现有机相的分离与清洗处理。本文将废渣浸出液的过程酸度设定为3.5pH，终止酸度设定为4 pH，保证锌金属的有效溶解和富集。

1.3 设置综合回收利用的置换工艺模式

经酸洗和水洗处理后，还存在未完全溶解于浸出液的有价金属元素。为提高废渣含锌量，还需要进一步对废渣进行综合回收。本文按照置换工艺模式控制锌矿废渣的回收工序，保证较高的浸出率，以此完成废渣的综合回收利用。技术流程图如图1所示。

图1 综合回收利用技术流程图

如图1所示，该综合回收利用流程主要包括一次和二次置换工作过程。一次置换为生产粗锌的过程，即在废渣浸出液中直接置换出锌，压团后产生粗锌。根据热动力学模型可知，金属置换溶液中锌向负向移动的幅度小于有价金属，在电性方面表现为0.25V左右的差异。因此，溶液中需要存在大量的锌离子才能实现完全置换。实际工程中，废渣一次置换是不可能实现有效回收的，只能得到粗锌成团的结果[3]。将锌矿滤渣磨浆化后放入搅拌槽中，加入硫酸浸出，并检测温度和酸度变化情况。控制一次置换工艺的温度为50℃，时间为1h，起始和终止酸度分别为5.3 pH。在此条件下，既能保证锌留在酸溶液中，又能提高压团成功率。一次置换产出后，进一步进行酸溶工序，操作程序与一次浸出相同，完成二次置换。与一次浸出滤液相比，二次滤液的锌富集量可达3倍以上，并且锌团成功率也得到极大地提升。控制二次工艺的温度为85℃，时间与酸度条件与一次置换保持一致。反应完毕后，滤渣即锌渣。对一次浸出液分多次加入活化剂，控制酸度为4.5，反应终止后，过滤得到有价金属。在保证锌矿质量的前提下，可以获得与之伴生的有价金属资源，以此实现废渣的综合回收利用。

2 实验

2.1 实验准备

本文提出了一种湿法炼锌废渣综合回收利用技术，下面设计实验验证其应用效果。本次试验采用的原材料为某冶炼厂生产的锌矿废渣。为保证实验浸出过程发生完全的氧化还原反应，需要对测试条件进行控制。固体粒径越大，浸出所需时间越长，原则上粒径越小越能提高锌回收率。但考虑实际生产条件，较小的颗粒需要花费较大的研磨成本。综合上述情况，将废渣粒度设定为120目。在一定速度范围内，随着搅拌速度的增加，浸出效率也随之增大。为保持良好的浸出效率，本次实验设定搅拌速度为70r/min，并选择双层三片桨叶进行搅拌。保持其他实验条件不变，测定温度与浸出率的关系，结果如表1所示。

表1 反应温度与浸出率的关系

根据表1的结果，温度达到80℃，可以达到较高的浸出率，因此本次实验设置反应温度为80℃。最后，设定废渣的浸出时间为5h。以此条件为基础，进行后续的实验测试。

2.2 实验结果

为验证本文技术的优越性，与传统的真空碳热还原技术与回转窑处理技术进行对比。选择锌的浸出率作为评价指标，衡量技术的回收水平。浸出率的计算公式为：

式（3）中，p表示浸出率；0n和n分别表示原料与浸出渣中锌的质量。实验对比结果如图2所示。

图2 实验对比结果

根据图2的测试结果，本文所提出的回收技术的浸出率明显高于两种对照组的技术。因此，本文技术能够提高锌金属的回收率，有利于降低实际锌矿工程的生产成本，并增加经济效益。

3 结语

本文提出了一种锌废渣综合回收利用技术，实验测试结果表明该技术能够提升锌回收率，具有良好的应用前景。尽管本文的研究取得一定成果，但还存在可以优化的内容。后续可针对活化剂进行深入研究，探讨活化剂对有价金属离子的影响，使其更好地去除杂质，增加回收技术的适用性。除此之外，还可将湿法与火法炼锌相结合，进一步提升技术的经济价值。