电弧炉粉尘中的Zn基化合物硫酸浸出的基础研究

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在电弧炉生产过程中,会产生大量的含锌电弧炉粉尘。同时,电弧炉粉尘作为锌生产重要的二次资源。在过去的几十年里,出现了很多方法来回收电弧炉粉尘。这些处理工艺可分为火法冶金和湿法冶金。其中,火法冶金存在很多缺点,如能耗大、设备要求高、投资成本,并且在回收过程中产生温室气体二氧化碳。与火法冶金相比,湿法冶金技术可以在较小的规模、较小的投资和运输成本下运行,故本文采用湿法冶金的处理工艺。因此,作为从电弧炉粉尘中回收锌的一系列基础研究,本文对ZnS、ZnO和ZnO·Fe2O3在硫酸溶液中溶解进行基础研究。本文以ZnS、ZnO和ZnO·Fe2O3为研究对象,分别从浸出时间,浸出温度,初始硫酸浓度,和过量添加量展开研究。通过不同的浸出时间,考察浸出时间对浓度的影响,得出达到饱和的时间。采用不同的初始硫酸浓度,研究ZnS、ZnO和ZnO·Fe2O3在硫酸中的溶解度。通过添加过量的添加量,考察添加量对溶液中锌浓度的影响。通过化学热力学计算,计算出pH浓度曲线。综合分析上述结果,得出ZnS、ZnO和ZnO·Fe2O3在硫酸溶液中的溶解行为。研究表明,无论浸出温度为80℃还是20℃,ZnS在硫酸浓度为0.018mol/L和9.8 mol/L的浸出时间为3周,达到饱和状态。无论浸出温度为20℃和80℃,ZnS的溶解度随初始硫酸浓度的增加而增加,当初始浓度为3.15 mol/L,锌的溶解度达到最大值。随着初始硫酸浓度不断增加,溶解度降低。通过添加过量的ZnS,并未对ZnS的溶解度产生影响。通过计算pH溶解度曲线,Zn2+从ZnS表面溶出,未产生其他化合物。ZnS在硫酸中的溶解反应式可以表达为ZnS(s)+2H+=Zn2++H2S(gas)。通过实验得出在浸出温度为20℃,浸出时间为3周,溶液达到饱和状态。ZnO在硫酸溶液中的溶解度随初始硫酸浓度的增加而增加,当初始硫酸浓度为3.15 mol/L,ZnO的溶解度达到最大值。随着初始硫酸浓度的继续增加,ZnO的溶解度减小。通过添加过量的ZnO,溶液中锌的浓度逐渐增加。主要是因为ZnO在硫酸的反应生成了Zn4SO4(OH)6·5H2O和ZnSO4·7H2O,使得溶液中硫酸的浓度增加,导致Zn的浓度增加。通过计算pH浓度曲线,Zn2+从氧化锌表面溶解。考察浸出时间对ZnO·Fe2O3溶解度的影响时,采用浸出温度为20℃、40℃、60℃和80℃,得出浸出时间分别为2周、1周、1周和1周。ZnO·Fe2O3的溶解度随初始硫酸浓度的增加而增加,也随温度的增加而增加。当初始硫酸浓度为5.49 mol/L,ZnO·Fe2O3溶解度达到最大值。添加过量的ZnO·Fe2O3,可使Zn和Fe的浓度增加。主要是因为残留在溶液中的样品会吸收水分,提高了硫酸浓度。硫酸浓度增加使得ZnO·Fe2O3的溶解度进一步提高。通过计算得出pH溶解曲线,得出ZnO·Fe2O3的表面溶出了 Zn2+离子,Fe3+离子从ZnO·Fe2O3的表面溶出。但是,由于Fe3+离子在溶液中稳定,因此在ZnO·Fe2O3的表面上会形成Fe(OH)3,最后以Fe(OH)30离子的形式溶解。在实验的最后,分别添加Cr2O3,和SiO2,发现Zn和Fe的浓度有所下将。这归因于添加氧化物使得溶液中的pH值上升,使得Zn和Fe离子略微析出。本文针对三种化合物的溶解机理进行探究,通过实验得出不同初始硫酸浓度下,三种化合物的溶解度。通过计算溶解度曲线得出溶解行为。通过实验验证,否认了湿法冶金中电弧炉粉尘不溶解的原因是ZnO·Fe2O3的存在,而是某种氧化物抑制了ZnO·Fe2O3 的溶解。
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