铁酸锌还原过程机制与锌焙砂还原焙烧工艺研究

摘要

传统湿法炼锌工艺中会产生性质稳定、难以溶出的铁酸锌，导致铁锌分离困难。铁酸锌与磁铁矿均为稳定的尖晶石结构，将铁酸锌还原转化为氧化锌和磁铁矿，可从铁酸锌中分离出锌，同时铁稳定在尖晶石结构中不被溶出。本文首先进行了铁酸锌的还原热力学分析，再采用合成铁酸锌开展了选择性还原反应动力学的研究。开展了铁酸锌的选择性还原反应过程机制的研究，采用TG、XPS及XRD查明还原过程中失重分解特征、离子迁移行为、物相转变过程和产物层形貌变化，揭示了铁酸锌还原分解为氧化锌和磁铁矿的历程。并以高铁锌焙砂为处理对象，采用单因素实验考察了CO/CO2弱还原性气氛下铁酸锌选择性还原为氧化锌和磁铁矿的焙烧条件，再通过硫酸浸出分离锌铁。取得以下研究结论:
　　通过热力学分析得出焙烧工艺关键在于控制CO/(CO+CO2)，750℃下CO/(CO+CO2)应控制在2.68％～36.18％之间。通过等温动力学研究表明铁酸锌的选择性还原过程可用收缩未反应核模型来描述，反应的动力学方程为1-(1-α)1/3=0.667925 exp(-35817/RT)，反应活化能为35.817 kJ/mol。反应属于化学反应控制，升高温度有利于提高反应速率和还原度，CO浓度低会使反应速率低而还原度不够，CO/(CO+CO2)对还原速率无较大影响，但超过40％会使磁铁矿过还原。
　　铁酸锌的还原过程研究表明，还原反应是由失氧引起的，反应趋近平衡时，失重量低于理论失重量;还原产生的亚铁使铁酸锌选择性分解产生氧化锌，氧化锌含量与亚铁含量线性相关，线性关系为WZnO=2.8014WFe2++0.32113。亚铁离子向尖晶石内部迁移替代出锌离子，锌离子则向外部迁移并富集于表面，锌的过饱和使氧化锌在表面形成。尖晶石则由亚铁取代而逐步从铁酸锌转变为磁铁矿，亚铁离子的嵌入和锌的迁出使晶胞参数先增大后减小，还原产物为氧化锌和含锌磁铁矿。产物层中氧化锌和磁铁矿相互夹杂，并包裹着未反应铁酸锌核。
　　以可溶性锌和亚铁的含量作为焙烧评价指标，得出最佳焙烧条件为:焙烧温度750℃，焙烧时间60 min，CO浓度8％，CO/(CO+CO2)气氛比例20％，此条件下可溶锌率由原焙砂中的79.64％提高到91.75％;以铁锌浸出率为考察指标，得出最佳浸出条件为:常温浸出，浸出时间30 min，浸出酸度90 g/L，液固比10∶1，此条件下锌铁浸出率分别为91.8％和7.17％。

目录

声明

摘要

1 文献综述

1．1 铁酸锌在锌冶炼过程中的产生及处理

1．1．1 锌冶炼工艺

1．1．2 铁酸锌在传统锌冶炼过程中的产生

1．1．3 锌冶炼过程中含铁酸锌物料的处理

1．2 铁酸锌的结构及其还原过程中的物相转变

1．2．1 铁酸锌的结构及性质

1．2．2 铁酸锌还原过程中锌铁物相转变

1．3 课题研究的内容及意义

1．3．1 课题研究的内容

1．3．2 课题研究的意义

2 实验原料与方法

2．1 实验原料

2．1．1 铁酸锌

2．1．2 锌焙砂

2．2 实验药剂与实验设备

2．3 实验方法

2．3．1 铁酸锌的还原基础及过程研究实验

2．3．2 锌焙砂的还原焙烧硫酸浸出工艺实验

2．4 分析及表征方法

2．4．1 化学分析

2．4．2 X射线荧光光谱分析

2．4．3 热重分析

2．4．4 X射线衍射

2．4．5 X射线光电子能谱

2．4．6 微观形貌分析

3 铁酸锌选择性还原基础研究

3．1 铁酸锌选择性还原的热力学分析

3．2 铁酸锌选择性还原的等温反应动力学

3．2．1 动力学方程的建立

3．2．2 反应温度与还原速率的关系

3．2．3 CO浓度与还原速率的关系

3．2．4 CO／(CO+CO2)与还原速率的关系

3．3 铁酸锌过还原的物相转变特征

3．4 小结

4 铁酸锌选择性还原过程机制研究

4．1 失重分解特征

4．2 离子迁移行为

4．2．1 Zn 2p3／2峰分析

4．2．2 Fe 2p峰分析

4．2．3 表面原子百分比变化

4．3 物相转变过程

4．4 产物层形貌变化

4．5 小结

5 锌焙砂的选择性还原焙烧硫酸浸出工艺研究

5．1 还原焙烧工艺试验研究

5．1．1 焙烧温度与焙烧效果的关系

5．1．2 CO浓度与焙烧效果的关系

5．1．3 CO／(CO+CO2)与焙烧效果的关系

5．1．4 焙烧时间与焙烧效果的关系

5．1．5 还原焙砂的形貌特征

5．2 浸出工艺实验研究

5．2．1 浸出酸度对浸出效果的影响

5．2．2 浸出温度对浸出效果的影响

5．2．3 液固比对浸出效果的影响

5．2．4 浸出时间对浸出效果的影响

5．3 小结

6 结论与建议

6．1 结论

6．2 建议

参考文献

攻读硕士学位期间主要研究成果

致谢