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目前冶炼厂的大量锌渣长期堆放对周围环境造成污染,严重影响人类的生活和健康,所以对锌渣合理处置越来越受到重视。作者以某冶炼厂综合废水处理过程中产生的含锌沉渣为研究对象,根据含锌废渣的特点,通过浸出工艺选择,对沉渣进行浸出处理,并对硫酸选择性浸出工艺进行了浸出热力学的理论分析和试验研究,获得了如下研究结果:
(1)以锌浸出率和浸出锌的单位成本为目标函数,实验过程中采用了两种锌渣,分别为渣1,渣2。对比研究碱性浸出和硫酸浸出两种工艺分别对渣1和渣2的浸出效果。结果表明,渣1和渣2的碱性浸出中浸锌效果最好的为NH3和NH4+浓度分别为2.5 mol/L和5.0mol/L(NH3:NH4+=1:2)氨铵混合溶液,其浸出率分别为76.92%和69.25%,浸出单位成本分别为9.6190万元/吨锌和4.9492万元/吨锌;采用130g/L硫酸一次性浸出,渣1和渣2的锌浸出率分别为85.82%和86.87%,浸出单位成本分别为6562元/吨锌和2993元/吨锌。对于两种沉渣而言,硫酸工艺浸出率较高,浸出单位成本较低,因此选择硫酸浸出工艺。
(2)计算了两种沉渣在硫酸浸出过程中可能发生反应的反应自由能变化,并对各反应自由能随温度的变化进行了分析。进一步分析了在25℃,50℃,75℃下浸出pH值与ZnO,Zn(OH)2,Fe(OH)2和Fe(OH)3浸出离子浓度关系式分别如下:
①ZnO浸出锌离子浓度与pH值的关系式lg[Zn2+]=lgK298.15-2pH=11.200-2pHlg[Zn2+]=lgK323.15-2pH=10.002-2pHlg[Zn2+]=lgK348.15-2pH=8.983-2pH;②Zn(OH)2浸出锌离子浓度与pH值的关系式lg[Zn2+]=lgK298.15-2pH=11.65-2pHlg[Zn2+]=lgK323.15-2pH=10.603-2pHlg[Zn2+]=lgK348.15-2pH=9.675-2pH;③Fe(OH)2浸出二价铁离子浓度与pH值的关系式lg[Fe2+]=lgK298.15-2pH=10.67-2pHlg[Fe2+]=lgK323.15-2pH=9.542-2pHlg[Fe2+]=lgK348.15-2pH=8.54-2pH;④Fe(OH)3浸出三价铁离子浓度与pH值的关系式:lg[Fe3+]=lgK298.15-3pH=3.385-3pHlg[Fe3+]=1gK323.15-3pH=2.347-3pHlg[Fe3+]=lgK348.15-3pH=1.431-3pH。分析表明,ZnO,Zn(OH)2,Fe(OH)2和Fe(OH)3的浸出pH值随着温度的升高而降低,选择性浸出的浸出液终点pH值也随温度的升高而降低,温度每升高25℃,pH值降低约0.5,因此在实验过程中可以通过对浸出液温度的控制来实现对浸出液终点酸度的调整,优化硫酸选择性浸出工艺。
(3)以锌浸出率和锌铁浸出率差值为目标函数,对两种沉渣进行硫酸选择性浸出工艺的单因素试验和正交试验研究,优化浸出工艺条件。渣1选择性浸出的最佳试验条件为:硫酸浓度为170g/L,浸出温度为65℃,浸出时间为60min,液固比为4.0mL/g。锌浸出率达到89.23%,而铁的浸出率仅为0.56%,锌铁浸出率的差值高达88.67%。极差分析表明,浸出液固比和硫酸浓度是影响锌渣1中锌、铁浸出率的主要因素。渣2选择性浸出的最佳试验条件为:硫酸浓度为150g/L,浸出温度为45℃,浸出时间为60 min,液固比为5 mL/g。浸出处理后锌的回收率为91.79%,而铁的浸出率为13.03%,锌铁浸出率的差值高达78.76%。极差分析表明,影响渣2中锌、铁浸出率的两个主要因素是浸出液固比和硫酸浓度。由此可见,浸出液固比和硫酸浓度是影响锌渣中锌、铁浸出率的两个最主要的因素。