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氧化锌矿物在氨—铵盐—水体系中的浸出机理

作　者: 刘智勇
导　师: 杨天足
学　校: 中南大学
专　业: 有色金属冶金
关键词: 异极矿 硅锌矿 氨-硫酸铵-水体系 浸出机理及动力学
分类号: TF18
类　型: 博士论文
年　份: 2012年
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内容摘要


低品位氧化锌矿选矿富集困难,碱性脉石含量高,采用火法及酸性体系湿法工艺处理,能耗高、回收率低、废弃物多。氨—铵盐—水体系浸出,因其选择性强,氨与有价金属离子配合而促进浸出,是处理这类资源较为适宜的工艺。本文研究了氧化锌矿,特别是硅酸盐类矿物在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系中的浸出机理,研究结果不仅在学术上弥补了这一领域基础研究的不足,也可为实际浸出工艺开发提供理论指导和基础数据。以天然异极矿和人工合成硅锌矿纯矿物为研究对象,综合运用XRD、FT-IR、XPS、SEM、EDS、TGA-DSC、ICP-AES等检测技术,研究了这些矿物在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系中的溶解平衡、溶解速率和浸出机理,得到如下主要结论。(1)根据物质守恒、同时平衡及电中性原理,建立了Zn2SiO4-NH3-NH4+-H2O体系的热力学模型,通过对模型计算求解,绘制了体系中各组元浓度变化的热力学关系图。图示结果表明,[NH3]与[NH3]T摩尔比为0.5时,体系中[Zn]T最大,且随总氨浓度的增加而增大。总氨浓度为5mol/L,[NH3]与[NH3]T摩尔比为0.5时,无定形Si02在该体系中的溶解度为0.11g/L,其过饱和析出的pH值范围为7.16～12.68,受无定形Si02溶解度低的限制,在上述条件下体系中[Zn]T只能达到27.88g/L,远低于ZnO在该体系中的溶解度。(2)异极矿在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系可以浸出。浸出时Zn-O-Zn键断裂后,Si-O双四面体从异极矿晶体架构中脱离形成无定形Si02。无定形二氧化硅单独形核,并未对异极矿表面形成包裹。(3)实验证实,当[NH3]与[NH3]T摩尔比为0.5时,锌浸出速率最高；在总氨浓度5mol/L,[NH3]与[NH3]T摩尔比0.5,固液比20g/L,温度35℃,搅拌速度350r/min,浸出150min时,锌的浸出率可达95%,而纯氨水和纯硫酸铵溶液中锌的浸出率只有2%；高固液比下,由于溶液中[Zn]T达到饱和,锌浸出率会大幅度下降。(4)在固液比20g／L、总氨浓度5mol/L、[NH3]与[NH3]T摩尔比0.5、搅拌速度350r/min的条件下,研究了-100-+160目的异极矿在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系中浸出的动力学。结果表明,异极矿在NH3-(NH4)2SO4溶液中的浸出过程可用Elovich方程进行描述,浸出反应的表观活化能为55.42kJ/mol,属表面化学反应控制,这与浸出机理研究所得结论一致。(5)实验发现,异极矿和湿化学法合成的硅酸锌在不同温度下煅烧2h,均可获得结晶度不同的正交晶系的硅锌矿(β-Zn2SiO4)和三方晶系的菱面体晶硅锌矿(α-Zn2Si04)。硅锌矿的晶体结构及结晶度对其在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系中的浸出效果有显著影响。在温度35℃、固液比20g/L、总氨浓度5mol/L、[NH3]与[NH3]T摩尔比0.5、搅拌速度350r/min的条件下浸出120min,β-Zn2SiO4的结晶度为29.88%和60.11%时锌的浸出率分别为86.66%、42.14%,α-Zn2SiO4结晶度为99%和100%时锌的浸出率分别为10.13%、6.4%,β-Zn2SiO4比α-Zn2SiO4容易浸出。(6)a-硅锌矿在浸出时,锌与硅同时溶解进入溶液,但Si02在体系中溶解度较小,过饱和后以无定形水合二氧化硅形态单独形核析出,由于其析出速度缓慢,抑制了锌的浸出。(7)在固液比5g/L、总氨浓度5mol/L、[NH3]与[NH3]T摩尔比0.5、搅拌速度350r/min的条件下,研究了-140～+160目的结晶完整的α-硅锌矿在NH3-(NH4)2SO4-H2O体系中浸出的动力学。其浸出过程特征符合多孔颗粒粒子模型,浸出过程的表观活化能为67.93kJ/mol,表明浸出过程受孔隙扩散控制,这与实验现象是一致的。

全文目录


摘要  4-6
ABSTRACT  6-12
第一章 文献评述  12-28
  1.1 锌的性质用途与消费  12-14
  1.2 锌冶炼工艺  14-18
    1.2.1 火法炼锌  14-16
    1.2.2 湿法炼锌  16-18
  1.3 低品位氧化锌矿的处理工艺  18-24
    1.3.1 选矿工艺  18-20
    1.3.2 火法工艺  20-21
    1.3.3 酸浸工艺  21-22
    1.3.4 碱浸工艺  22-23
    1.3.5 氨浸工艺  23-24
  1.4 Zn-NH_3-NH_4~+-H_2O体系热力学研究现状  24-25
  1.5 本课题的提出及其意义  25-28
第二章 实验研究方法  28-39
  2.1 实验原料  28-34
    2.1.1 异极矿  28-31
    2.1.2 硅锌矿(α-Zn_2SiO_4)  31-33
    2.1.3 化学试剂  33-34
  2.2 实验仪器设备  34-35
  2.3 实验方法  35-36
    2.3.1 异极矿的浸出  35
    2.3.2 硅锌矿的浸出  35
    2.3.3 硅溶解平衡实验  35-36
  2.4 分析与表征  36-39
    2.4.1 锌的分析  36
    2.4.2 硅的分析  36
    2.4.3 样品物相分析  36-37
    2.4.4 样品形貌与元素半定量分析  37
    2.4.5 样品粒度分析  37
    2.4.6 样品热特性分析  37
    2.4.7 样品结构分析  37
    2.4.8 样品表面元素分析  37-38
    2.4.9 样品比表面积及孔径分析  38-39
第三章 Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系热力学分析  39-61
  3.1 引言  39
  3.2 体系中可能存在的物种及其热力学数据  39-41
  3.3 NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系的pH值  41-43
  3.4 无定形二氧化硅在NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系中的溶解  43-45
  3.5 Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系热力学计算模型  45-47
  3.6 Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系含锌组元的log C-pH图  47-49
  3.7 Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系含硅组元的log C-pH图  49
  3.8 总氨浓度对Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系含锌组元存在形态的影响  49-52
  3.9 总氨浓度对Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系含硅组元存在形态的影响  52-54
  3.10 总氨浓度对Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系中[Zn]_T、[Si]_T的影响  54-56
  3.11 [NH_3]/[NH_3]T摩尔比对Zn_2SiO_4-NH_3-NH_4+-H_2O体系组分的影响  56-59
  3.12 本章小结  59-61
第四章 异极矿在氨-铵盐-水溶液体系浸出机理研究  61-115
  4.1 引言  61
  4.2 浸出机理  61-73
  4.3 浸出条件实验  73-102
    4.3.1 铵盐种类的影响  73-76
    4.3.2 矿石粒度的影响  76-83
    4.3.3 搅拌速度的影响  83-87
    4.3.4 [NH_3]与[NH_3]_T摩尔比的影响  87-91
    4.3.5 温度的影响  91-95
    4.3.6 总氨浓度的影响  95-98
    4.3.7 固液比的影响  98-102
  4.4 浸出过程的动力学研究  102-113
    4.4.1 收缩核模型  103-109
    4.4.2 Elovich方程  109-113
  4.5 本章小结  113-115
第五章 硅锌矿在氨-铵盐-水溶液体系浸出机理研究  115-147
  5.1 引言  115
  5.2 晶体结构及结晶度对浸出过程的影响  115-127
    5.2.1 异极矿煅烧获得的硅锌矿  115-123
    5.2.2 化学纯硅酸锌煅烧获得的硅锌矿  123-127
  5.3 浸出条件实验  127-141
    5.3.1 铵盐种类的影响  127-128
    5.3.2 矿石粒度的影响  128-129
    5.3.3 搅拌速度的影响  129-130
    5.3.4 [NH_3]与[NH_3]_T摩尔比的影响  130-131
    5.3.5 总氨浓度的影响  131-134
    5.3.6 反应温度的影响  134-136
    5.3.7 固液比的影响  136-137
    5.3.8 溶液中初始SiO_2浓度的影响  137
    5.3.9 强化浸出过程  137-141
  5.4 浸出过程的动力学研究  141-145
  5.5 本章小结  145-147
第六章 结论与创新  147-151
  6.1 主要结论  147-149
    6.1.1 Zn_2SiO_4-NH_3-(NH_4)_2SO_4-H_2O体系的热力学  147-148
    6.1.2 异极矿在氨-铵盐-水体系的浸出机理  148
    6.1.3 硅锌矿在氨-铵盐-水体系的浸出机理  148-149
  6.2 主要创新点  149-151
参考文献  151-169
致谢  169-170
攻读博士学位期间主要研究成果及获得奖励  170-173

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中图分类: > 工业技术 > 冶金工业 > 冶金技术 > 微生物冶金
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