從含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣中微波浸出銦鋅的機理及工藝研究.pdf

1、銦作為一種具有獨特物理化學性能的稀散金屬,在國民經濟中的作用和地位非常重要。伴隨著市場對銦需求量的劇增及銦礦的過度開采,富銦資源逐步走向枯竭,貧銦資源的開發(fā)變得尤為重要。銦一般伴生于鋅、錫等有色金屬礦中。目前,鋅冶煉普遍采用焙燒—浸出—電積的濕法煉鋅工藝,在該工藝的高溫焙燒工段,鋅精礦中所含的鐵和鋅在高溫氧化作用下不可避免地生成鐵酸鋅(ZnFe2O4),同時伴生的銦也以置換或填充的形式進入鐵酸鋅晶格中,形成富銦鐵酸鋅(IBZF)。富銦鐵

2、酸鋅類似于鐵酸鋅,具有完好的正八面體結構,穩(wěn)定性好,常規(guī)酸浸對其溶解無能為力,屬難浸的載銦物相。因此,伴生銦的鋅礦經濕法煉鋅浸出過程產生的鋅浸渣,為含富銦鐵酸鋅的貧銦固體廢棄物,屬于一類待開發(fā)利用的貧銦資源。
　　微波由于具有獨特的選擇性加熱、體積加熱等特點,通過分子的高速轉動產生內摩擦熱,能夠使得被加熱的分子得到活化,因此在礦物處理方面有著重要的應用,其中微波用于礦物浸出技術是濕法冶金領域很有發(fā)展的一項新技術,特別在處理難選、低

3、品位礦物方面有其優(yōu)越之處。為了從含富銦鐵酸鋅這一難浸物相的鋅浸渣中有效回收銦、鋅,克服傳統(tǒng)浸出法的諸多缺點,課題利用微波輻射作為酸浸強化方法,研究含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣微波浸出銦、鋅。
　　首先以人工合成富銦鐵酸鋅為研究對象,通過實驗揭示微波輻射強化銦、鋅浸出的內在機制,并建立微波強化下富銦鐵酸鋅中銦、鋅浸出動力學模型。在此基礎上,以工業(yè)鋅浸渣為原料進行微波強化浸出銦、鋅實驗研究,建立鋅浸渣的等溫、非等溫動力學模型,獲得微波輻射鋅浸

4、渣的銦、鋅浸出的優(yōu)化工藝條件。主要研究內容與結論如下:
　　(1)硫酸溶液、鋅浸渣在微波場中溫升行為研究?？疾煳⒉üβ?、硫酸濃度對液體物相-硫酸溶液微波溫升行為的影響;并考察微波功率、鋅浸渣固體物料質量對固體物相-鋅浸渣微波溫升行為的影響。結果顯示,不同微波功率下硫酸溶液溫度最終都趨向于一個恒定值,隨著微波功率增大其相應溫升速度加大,達到最高溫度所需時間縮短;在相同微波功率下,硫酸溶液達到最高的恒定溫度值隨硫酸溶液濃度的增大而提高

5、,而硫酸溶液的溫升速度隨硫酸溶液濃度的增大逐漸降低。微波功率越大,鋅浸渣固體物料的溫升越快,最后都趨向于一個穩(wěn)定的溫度值,微波功率越大鋅浸渣穩(wěn)定的溫度數(shù)值也越大;在一定微波功率下,鋅浸渣物料達到最高的溫度隨著物料質量的增加而變化,是一先增加再減小的趨勢,在某一物料質量時會出現(xiàn)最大值。
　　(2)富銦鐵酸鋅的銦、鋅微波等溫浸出研究。對富銦鐵酸鋅恒溫下微波加熱浸出銦、鋅的可行性進行研究,開展微波酸浸銦、鋅恒溫動力學研究并與常規(guī)水浴酸浸

6、下銦、鋅恒溫動力學進行對比。采用比表面積分析儀、XRD和SEM對富銦鐵酸鋅樣品的比表面積、晶體結構和顆粒形貌進行表征分析。最后對微波輻射強化酸浸富銦鐵酸鋅做探討性機理分析。結果顯示,微波加熱浸出富銦鐵酸鋅明顯優(yōu)于常規(guī)水浴加熱浸出,微波強化加熱浸出富銦鐵酸鋅是可行的。攪拌速度400r/min可以消除反應外擴散;顆粒粒度對浸出率的影響不大;隨著反應溫度的升高和硫酸濃度的增大,銦、鋅的浸出率增大。微波加熱下,當溫度與硫酸濃度增加到一定程度,溫

7、度和硫酸濃度對銦、鋅的浸出影響減弱。采用表面化學反應控制的未反應縮核模型可以很好的擬合銦、鋅的浸出率數(shù)據(jù)。微波加熱下銦浸出的活化能Ea,In,MH77.374kJ/mol,比常規(guī)水浴加熱下的銦浸出活化能Ea,In,CH53.555kJ/mol增大;微波加熱銦浸出的AK0,In,MH相對常規(guī)水浴加熱銦浸出的AK0,In,CH增高,其頻率因子的比值K0,In,MH/K0,In,CH高達10818.36。微波加熱下鋅浸出的活化能Ea,Zn,M

8、H73.747kJ/mol,比常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出活化能Ea,Zn,CH57.467kJ/mol增大;微波加熱鋅浸出的AK0,Zn,MH相對常規(guī)水浴加熱鋅浸出的AK0,Zn,CH增高,其頻率因子的比值K0,Zn,MH/K0,Zn,CH為600.00。微波加熱導致頻率因子的劇烈增大為微波條件下浸出速率加大的主要因素。微波場內H2SO4與ZnFe2O4、ZnFe2-mInmO4有效碰撞極大提高,為微波非熱效應的強化作用。富銦鐵酸鋅中的銦在

9、微波場中具有一定的被選擇性強化浸出特性。
　　(3)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣銦、鋅微波等溫浸出研究。對鋅浸渣恒溫下微波加熱浸出銦、鋅可行性進行研究,并開展微波加熱和常規(guī)水浴加熱下鋅浸渣中銦、鋅浸出恒溫動力學研究,進行動力學數(shù)據(jù)對比。結果顯示,微波加熱浸出鋅浸渣中銦、鋅明顯優(yōu)于常規(guī)水浴加熱浸出,微波強化加熱浸出鋅浸渣中銦、鋅是可行的。攪拌速度500r/min可以消除反應外擴散;隨著反應溫度升高和硫酸濃度增大,銦、鋅的浸出率增大。微波加熱

10、下,當溫度與硫酸濃度增加到一定程度,溫度和硫酸濃度對銦、鋅的浸出影響減弱。表面化學反應控制的未反應縮核模型是鋅浸渣中銦、鋅浸出率數(shù)據(jù)擬合的理想模型。微波加熱下銦浸出的表觀活化能Ea,In,MH63.532kJ/mol比常規(guī)水浴加熱下的銦浸出表觀活化能Ea,In,CH54.536kJ/mol增大;相對常規(guī)水浴加熱下的銦浸出AK0,In,CH5.33×105,微波加熱下銦浸出的AK0,In,MH增高至1.57×107。同樣,微波加熱下鋅浸出

11、的表觀活化能Ea,Zn,MH59.249kJ/mol比常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出表觀活化能Ea,Zn,CH52.666kJ/mol增大;相對常規(guī)水浴加熱下的鋅浸出的AK0,Zn,CH2.74×105,微波加熱下鋅浸出的AK0,Zn,MH也增高至3.36×106。微波加熱浸出體系中反應物間有效碰撞總次數(shù)的顯著提升,為微波強化鋅浸渣中銦、鋅浸出的主要因素。
　　(4)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣銦、鋅微波非等溫浸出研究。研究微波恒功率輻射對鋅浸渣

12、中銦、鋅的非等溫浸出行為,并做相應動力學模型推導和計算,得到鋅浸渣中銦、鋅的微波酸浸非等溫動力學模型。結果顯示,隨著硫酸濃度的提高,銦、鋅的浸出率增大,但硫酸濃度超過1.5mol/L時,銦、鋅浸出率增加均變緩慢。反應體系的攪拌速度超過400r/min能夠消除鋅浸渣微波酸浸反應外擴散。隨著微波功率的增大及反應時間的延長,反應體系的溫度呈上升的趨勢,其升溫速率與溫度呈非線性關系。不同功率的微波輻射能夠改變鋅浸渣非等溫酸浸銦、鋅的反應活化能和

13、頻率因子,對反應的影響為非線性的。隨著微波功率的增大,反應的活化能及頻率因子首先減小,微波功率增大到一定程度,反應活化能和頻率因子又增大。
　　(5)含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣微波酸浸銦、鋅的工藝研究。以含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣為原料,考察常規(guī)酸浸、微波預處理+常規(guī)酸浸、微波酸浸、微波預處理+微波酸浸四種不同工藝方案浸出銦、鋅的效果,在確定工藝方案的基礎上,對浸出工藝條件進行了優(yōu)化,得出了最優(yōu)的浸出工藝路線。結果表明,四種考察工藝中,含富銦

14、鐵酸鋅的鋅浸渣微波直接酸浸工藝具有明顯優(yōu)勢。相對于常規(guī)酸浸工藝,微波直接酸浸工藝對銦、鋅的浸出效果有了明顯的提高,從而降低浸過程對溫度和硫酸濃度的高依賴性,有效縮短了浸出時間,強化了浸出過程。針對微波輻射的獨特優(yōu)勢結合含富銦鐵酸鋅的鋅浸渣的組分特點,并綜合考慮簡化工藝條件和節(jié)約能源等,微波直接酸浸銦、鋅的優(yōu)化工藝條件為:微波酸浸攪拌速度550r/min、硫酸初始濃度1.5mol/L、液固比10、溫度75℃、反應時間90min。在優(yōu)化工藝