锌湿法冶炼净化工艺降低锌粉用量的研究

廖园园

（西部矿业股份有限公司锌业分公司，青海 西宁 810000）

锌精矿的冶炼主要有两种：湿法冶金和火法冶金[1]，锌冶炼现主要以湿法工艺为主，湿法工艺对环境污染小、劳动强度低、自动化程度高，对矿物的适应性强等优点现已成为锌精矿冶炼的主要工艺之一，锌精矿湿法冶炼的主要工艺为浸出—净化—电积。其中净化对电积过程的影响最为明显。净化是处理浸出工序的ZnSO4溶液，其含有许多有害杂质，如铜、镉、钴、镍、锗、砷、锑、铁等。这些杂质的存在对锌电解沉积过程极为有害，显著降低电流效率、增加电能消耗、同时影响析出锌品质，故电解前必须经过净化除杂。净化的目的是除去有害杂质，提高ZnSO4溶液质量，富集有价金属。

1 净化工艺基本原理

根据电化学理论，锌的标准电位较负，用一定规格的锌粉从溶液中置换大部分电位较锌正的金属离子，形成单质沉淀除去，锌以离子形态进入溶液。通常湿法炼锌净化剂采用锌粉，几种常见金属的标准电位，见表1。

表1 几种金属的标准电极电位

锌粉置换的反应方程式如下：

简单的置换反应不能将锌除尽，除锌必须在高温条件下同时还需要添加剂，如：砷盐、锑盐、有机试剂等才能完成除锌。本工艺采用的添加剂是三氧化二锑（Sb2O3）。

2 杂质离子对深度净化的影响

锌精矿除含有主要的锌以外还含有很多其他元素，表2为锌精矿成分含量。在锌精矿浸出过程中，除锌元素外的其他杂质元素也会不同程度的浸出。净化过程中主要去除的杂质为：铜、镉、镍、钴、砷、锑等。

表2 锌精矿主要元素含量 /%

采取锌焙砂中性浸出将浸出液中的砷除去，砷在浸出液中主要以As（Ⅲ）在水溶液中以H3AsO3、H2AsO3

-形式存在。研究对象采用氧压浸出工艺，在浸出液中测得As含量为0.52 g/L。

实际生产过程中砷在除铁过程中可被同时除去，Fe2+在氧气的作用下转化为Fe3+后，在反应槽中加入焙砂调节pH为5.0～5.2，反应温度为75 ℃后，用针铁法将三价铁反应为针铁沉淀除去，在此过程中，砷将与部分水解后形成的Fe（OH）3吸附沉淀，通过固液分离后留在铁渣中。

从表3得到As含量已降至0.01 g/L，而除铁后的液体含As为：0.041 g/L，根据质量守恒定律，除铁后液体的砷是在后续进化除杂中发生沉淀反应，由于除杂净化过程中的pH保持在5.0～5.2，净化温度保持在75～80 ℃，除铁后溶液中含有CuSO4，在净化过程中加入锌粉，锌与液体中的硫酸铜反应后形成Zn-Cu微电池，由于Zn-Cu微电池比Zn-Co电位差大，此时将会形成Zn-Cu-Co合金，此时Co易反溶解，往溶液中加入砷盐，As3+将在Zn-Cu微电池上还原后和Zn-Co结合形成稳定的As-Zn-Co合金，从而Co就沉淀至渣中。主要反生的反应为：

因此，原矿中含有一定量的砷是对净化反应有利的，可是，含砷量过高在生产过程中易产生毒性气体AsH3，因此锌精矿含砷不宜过高，如果其含量过高而原矿中含铜量低，在生产中还需加入硫酸铜除砷，净化液中各组分含量以及除铁后液体各组分含量见表3和表4。

表3 净化液中各组分含量 /（g/L）

表4 除铁后液体各组分含量 /（g/L）

3 锌粉中有效锌的影响

有效锌含量越高，其反应效果越好，净化的速度越快。广泛使用的锌粉有电炉锌粉和吹制锌粉，两种锌粉由于加工过工艺和原材料要求不同，其所含杂质的含量也不相同。相较于两种锌粉的使用情况，电炉锌粉吨锌单耗较吹制锌粉加少消耗3～5 kg/（t·Zn）。锌粉在加工、运输及储存过程中均可被空气中的氧气氧化，从而降低锌粉有效锌的量，被存放越久锌粉含有效锌含量越低。因此在使用、储存及运输过程中应避免有效锌的氧化是很重要的，锌粉的氧化、结块等都大大降低锌粉的使用效果。同时避免锌粉在反应过程中表面形成碱式硫酸锌，锌粉活性降低阻碍反应进行，净化过程中的锌粉成分要求见表5。

表5 净化过程中的锌粉成分要求

4 反应参数对其影响

4.1 反应温度

在锌湿法冶炼中常用的净化工艺有逆向净化和正向净化，逆向净化低温除铜、镉，高温除钴、镍。正向净化刚好相反，逆向净化法的优点是除杂质效果好，铜、镉、镍、钴等渣可分离，缺点对热能消耗大，正向净化法优点是节省热能消耗，除去的铜镉渣在除镍钴时可利用对锌粉消耗少，缺点是对杂质渣无法分类，同时不好控制铜镉渣的利用量，会造成钴离子的复溶。除铜镉的反应温度控制在60～70 ℃。除钴镍时温度对反应影响明显，从表6中可以看出温度越高相应的锌粉加入量和锑盐加入量越低，这是由于温度越高氢的超电势越低，锑盐对氢的抑制效果好，从而增加了锌粉的活性。为了降低锌粉在二段除钴离子中锌粉消耗量增加，在一段除铜镉离子过程中增大锌粉量，预先将部分锌水解后吸附反应生成的钴渣，防止其在高温下复溶，这样二段除钴离子过程中，相应的锌粉减少用量。

表6 除钴过程中不同温度下加入锌粉量

4.2 反应时间

反应时间是直接影响液体指标的重要参数，一净除铜、镉离子过程中时间控制在1～1.5 h，可适当增长一段反应时间，其目的是为了将溶液中的铜、镉离子除尽，未除去的铜离子进二净后，铜离子对钴离子的复溶影响很大，铜离子在除钴过程中将与锌粉发生反应形成Cu-Zn微电池产生了一个阴极基，而随着铜的溶解减少了活化能，钴也将停止析出，从而发生返溶。但是过长的反应时间也会加速钴的返溶，合理的反应时间应控制在2.5 h。在生产实践中，由于指标控制不当需要停机处理，时间过长（＞0.5 h）将会造成析出杂质金属返溶。因此，减少操作中的问题，可控制锌粉用量。

4.3 搅拌强度

搅拌的目的是加快和充分反应过程中的溶质，锌粉的密度大于净化液的密度，锌粉加入后将迅速发生沉降，部分锌粉为发生反应而沉入反应槽底部，这样就造成锌粉浪费，而提高搅拌速度净化液在反应槽中产生漩涡状流体湍流，此时将锌粉加入漩涡中，依靠搅拌产生的离心力将锌粉均匀地分布在溶液中，减少溶液的锌粉浓度差，提高锌粉反应时的扩散效果，从而节省锌粉用量增加锌粉反应效果，在同等电耗作用下，也可将搅拌轴上添加多级搅拌桨叶，增加其对溶液的剪切力，增强搅拌强度同样可很好地增加锌粉的扩散反应效果，做到减少锌粉无效消耗的目的。

5 结语

本文从生产实际，对锌粉净化过程做出全面的分析，降低净化工艺中锌粉加入量可从锌粉原料质量上控制，尽量采用电炉锌粉或是合金锌粉，做到除杂彻底，控制好各项工艺指标，净化前液的杂质成分、温度、反应时间、搅拌强度及除钴过程中减少析出钴渣的返溶，临时停机处理等因素都会加重锌粉的无效消耗。