湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰的技术发展现状

郭灵巧,安 强,罗宝龙,罗 磊,林 智,曾 艳

(1. 重庆赛迪热工环保工程技术有限公司,重庆 401120;2. 重庆大学,重庆 400044)

随着工业化进程的加速,各种金属矿物资源的开发利用越来越广泛。其中,含铁含锌除尘灰作为一种重要的工业副产物[1-2],如何高效、环保地进行处理和利用成为亟待解决的问题。湿法冶金工艺是一种采用水介质,通过溶液化学反应将金属与非金属有效地分离和提取的工艺[3]。这种工艺对于处理含铁含锌除尘灰具有很大的潜力,可以实现金属的高回收率和环境的低污染。

1 含铁含锌除尘灰的成分和特点

1.1 含铁含锌除尘灰的成分

含铁含锌除尘灰主要来源于钢铁、有色金属冶炼及焙烧等冶金工艺过程。除尘灰中含有多种金属元素,如铁、锌、铜、铅等。根据不同来源的除尘灰,其金属含量有较大差异。一般来说,含铁含锌除尘灰中铁的含量较高,达到40%～60%;锌含量也较高,约为10%～20%[4]。

1.2 含铁含锌除尘灰的特点

含铁含锌除尘灰具有以下特点:

(1) 组成复杂:除尘灰中含有多种金属元素,成分复杂,金属氧化物和硫化物共存,且含有一定量的碱金属盐、氯化物等。

(2) 粒度细:含铁含锌除尘灰粒径较细,部分粒子小于10微米,利于提高金属与非金属的分离效率。

(3) 有毒:含铁含锌除尘灰中的重金属元素(如锌、铅、镉等)、二英具有毒性[5],若不加以处理,会对环境和人体健康造成严重危害。

2 湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰的技术发展现状

2.1 酸浸法

酸浸法是湿法冶金工艺中最常见的一种处理方法,通过将含铁含锌除尘灰与酸溶液接触,实现金属的浸出和富集。酸浸法的关键参数包括浸出剂种类、浓度、温度、浸出时间等[6]。酸浸法的优点是操作简单、设备投资低,但对于高硫含量的除尘灰,酸浸法存在处理难度较大的问题。且湿法浸出时浸出温度和浸出酸浓度对锌浸出率的影响巨大,在常温稀酸溶液中,烟尘中以铁酸锌(ZnO·Fe2O3)形式存在的锌几乎不反应,严重影响锌浸出率[7]。如果采用强酸且升温、加压,锌浸出率可以提高,同时铁的浸出率提高,大量的铁被引入溶液,加重了后续净化除铁工序的负担。且粉尘中能在电解过程中与锌同时析出的其他杂质也被浸出,最终会降低锌产品的纯度。

2.2 生物浸出法

生物浸出法利用微生物的氧化还原作用,将含铁含锌除尘灰中的金属转化为可溶性化合物。生物浸出法具有处理成本低、无需外加酸、环境友好等优点,但生物浸出速度较慢,受环境因素影响较大[8]。

2.3 硫酸盐焙烧法

硫酸盐焙烧法通过在一定温度下将含铁含锌除尘灰与硫酸或硫酸盐混合,使金属转化为可溶性硫酸盐。这种方法具有处理效果好、金属回收率高等优点,但同时产生大量的硫酸烟气,需要进行严格的环境治理。

2.4 氨浸法

氨浸法的原理是:在一定条件下利用在铵盐的存在,除尘灰中部分金属氧化物与氨溶液反应生成络合物,使金属离子转入溶液,经过过滤,除杂、锌结晶等工序后得到含锌产品[9]。主要用于氨浸出的溶液有NH4Cl溶液和氨-碳酸氢铵溶液。氨浸法具有对金属的选择性高、废液易处理、环境友好等优点。但氨浸法设备投资较大,氨气具有毒性,需要严格的安全管理。且无论浸出液是NH4Cl溶液或氨-碳酸氢铵溶液,都是弱碱浸出,弱碱浸出虽然比强碱浸出或者酸浸出的选择性更高,得到的浸出液更纯,且常温下浸出速度高,浸出剂再生容易,得到的氧化锌纯度较高。但是当除尘灰中铁酸锌含量较高时,弱碱不与铁酸锌反应,铁酸锌中的锌不能转移到浸出液中,浸出率大大降低,只有60%左右,且除杂步骤繁琐,铅也不能得到有效回收利用。

2.5 碱浸法

碱浸法是利用碱性溶液(如氢氧化钠、氢氧化钾等)与含铁含锌除尘灰发生反应,将其中的金属转化为可溶性化合物。碱性溶液的浓度是影响浸出率的重要因素,浸出率一般随溶液浓度的增加而增加,但是溶液浓度过高时反而不利于浸出,因为浓度过高时溶液的黏度增加会降低离子的扩散速率,且SiO2的胶状形式也加重,所以应该控制碱浓度在合适的范围内[10]。与酸浸法相比,碱浸法具有较低的腐蚀性和较高的选择性,可以有效地分离金属元素。然而,碱浸法的金属浸出效率较低,且处理过程中产生的废碱液处理相对困难。

2.6 电解浸出法

电解浸出法是通过在浸出槽中施加电场,促使含铁含锌除尘灰中的金属溶解并在阳极或阴极上沉积[11]。电解浸出法的优点是金属回收率高、处理速度快、能耗低。然而,电解浸出法设备投资较大,且对原料成分和粒度有较高的要求。

2.7 超声波辅助浸出法

超声波辅助浸出法是通过将超声波引入浸出过程,提高含铁含锌除尘灰中金属的浸出效率[12]。超声波能够破坏固体颗粒表面的结构,增大颗粒与溶液的接触面积,从而提高金属浸出速率。超声波辅助浸出法具有处理效果好、设备简单、操作方便等优点[13]。然而,超声波能量消耗较大,且在大规模工业应用中仍存在技术挑战。

2.8 离子液体浸出法

离子液体是一种低熔点、无挥发性的有机盐,具有良好的溶剂性能。离子液体浸出法是利用离子液体与含铁含锌除尘灰发生反应,实现金属的浸出[11]。离子液体浸出法具有无挥发性、低毒性、高选择性等优点,是一种具有潜力的绿色处理方法。然而,离子液体的价格较高,且回收和再生技术仍有待完善,限制了其在工业应用中的普及[14]。

2.9 氧压浸出法

氧压浸出法是在高温、高压氧气环境下进行浸出反应,使含铁含锌除尘灰中的金属元素与氧气发生氧化反应,形成可溶性的氧化物或盐类[15]。氧压浸出法具有浸出速率快、金属回收率高等优点,特别适用于处理难浸出的金属矿物。然而,氧压浸出法设备投资大,操作条件苛刻,安全性和环保性需进一步提高。

2.10 机械激活浸出法

机械激活浸出法是通过机械研磨、高能球磨等方法[16],对含铁含锌除尘灰进行预处理,增大其比表面积,提高金属浸出效率。机械激活浸出法可以显著提高浸出速率,减少浸出剂用量,降低处理成本。然而,机械激活过程能耗较高,且可能产生噪音、粉尘等环境问题。

3 湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰的挑战与对策

3.1 金属回收率的提高

尽管湿法冶金技术在处理含铁含锌除尘灰方面取得了一定的成果,但金属回收率仍有待提高。为了解决这一问题,可以通过优化工艺参数、改进浸出剂种类和浓度、采用新型辅助浸出技术等方法提高金属回收率。

3.2 环境污染的控制

湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰过程中,可能产生废水、废气、废渣等污染物。为了降低环境污染,应加强废水、废气、废渣的综合利用和无害化处理技术的研究与应用,提高处理过程的环保性能。

3.3 处理成本的降低

湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰需要大量的能源和化学品,因此处理成本往往比较高。为了降低处理成本,需要开发新型低成本、高效率的浸出剂,并优化浸出条件。例如,有研究发现,将电化学浸出法与其他浸出方法相结合,能够实现金属的高效回收和处理,同时降低处理成本[11]。

除了优化浸出剂和浸出条件外,降低处理成本还需要加强废弃物综合利用和资源回收。例如,将含铁含锌除尘灰中的废渣用于制备水泥或陶瓷材料,或用于土壤改良等领域,可以实现资源的有效回收和利用。此外,开发高效的资源回收技术,如循环水冷却系统和废弃气体回收系统,也能够降低处理成本。

总之,降低湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰的处理成本,需要开发低成本、高效率的浸出剂和优化浸出条件,同时加强废弃物综合利用和资源回收,推动湿法冶金工艺技术的发展,实现资源的高效利用和环境保护的双重目标。

4 湿法冶金工艺处理含铁含锌除尘灰的未来发展趋势

4.1 绿色环保的处理技术

随着环保要求的日益严格,未来湿法冶金工艺在处理含铁含锌除尘灰方面需要更加注重绿色环保技术的研究与应用。这包括采用低污染、低消耗的浸出剂,以及对废水、废气、废渣进行综合利用和无害化处理的技术。此外,还需开发新型环保型设备,降低工艺过程中的能耗和污染物排放。

4.2 高效资源利用

为了提高金属资源的利用率,未来湿法冶金工艺在处理含铁含锌除尘灰方面需要进一步提高金属回收率。这可以通过优化工艺参数、采用新型浸出剂和辅助浸出技术等手段实现。同时,应加强对含铁含锌除尘灰中其他有价值元素(如铜、钴等)的回收和利用研究,实现资源的高效利用。

4.3 跨学科综合研究

随着科学技术的发展,湿法冶金工艺在处理含铁含锌除尘灰方面将需要跨学科的综合研究。例如,将生物技术与化学浸出相结合,发展生物-化学联合浸出技术;将材料科学与浸出技术相结合,研发新型高效浸出剂和设备;将计算机科学与工艺优化相结合,实现智能化的湿法冶金工艺。

4.4 工业化应用与示范

为了推动湿法冶金工艺在处理含铁含锌除尘灰方面的广泛应用,需要加强工业化应用与示范工程的建设。这包括建立工程技术研究中心,开展中试和工程应用研究;加强与企业的合作,推动技术成果转化;开展政策支持和资金投入,为湿法冶金工艺的推广创造有利条件。

总之,湿法冶金工艺在处理含铁含锌除尘灰方面具有广泛的应用前景。在未来研究与发展过程中,需要克服现有技术的局限性,加强绿色环保技术和高效资源利用技术的研究,同时开展跨学科综合研究,以实现更高效、环保和可持续的含铁含锌除尘灰处理。通过加强工业化应用与示范,推动湿法冶金工艺在实际生产中的广泛应用,从而为金属资源的高效利用和环境保护作出贡献。

5 总 结

湿法冶金工艺作为一种环保、高效的处理方法,具有很大的潜力。当前,酸浸法、氨浸法、碱浸法、生物浸出法和硫酸盐焙烧法等方法在处理含铁含锌除尘灰方面取得了一定的成果,但仍存在金属回收率、环境污染和处理成本等方面的挑战。未来研究将关注绿色、高效的新型处理技术、资源综合利用、跨学科综合研究及工业化应用等方向,以期实现高效、环保的含铁含锌除尘灰处理,为相关领域的技术进步和产业发展提供参考。