姜 艷，孫麗達，李自靜，朱坤紅，孫光群

（紅河學院理學院，云南蒙自661100）

高爐煙塵中鋅的浸出動力學研究*

姜 艷，孫麗達，李自靜，朱坤紅，孫光群

（紅河學院理學院，云南蒙自661100）

采用酸浸法回收高爐煉鐵煙塵中的鋅，研究了硫酸濃度和浸出溫度對鋅浸出速率的影響，并分析了鋅的浸出動力學。結果表明，其浸出過程動力學方程遵從“未反應核縮減”模型，浸出動力學方程為1-2/3R-（1-R）2/3= kt，其浸出反應活化能為12.7 kJ/mol，浸出過程為內擴散過程控制，表觀反應級數(shù)為0.94817。提高反應溫度和硫酸濃度，均能加速鋅的浸出，提高鋅的浸出率。

高爐煙塵；鋅；浸出；動力學

中國的鋅儲量和鋅產量一直居世界首位［1］。但是，隨著冶金工業(yè)的發(fā)展，鋅礦資源日益缺乏，所以鋅資源的開發(fā)利用尤為重要。在高爐煉鐵和廢鋼再生冶煉過程中，鐵精礦和鋼鐵鍍鋅層中的鋅會以氣態(tài)揮發(fā)，隨煙氣進入收塵系統(tǒng)被收集下來［2］。由于部分企業(yè)會將煙塵廢料低價出售，沒有實現(xiàn)資源循環(huán)利用以及將自身資源優(yōu)勢轉化成經濟優(yōu)勢［3］。因此對高爐煉鐵煙塵中鋅的浸出動力學特征進行研究，可為實現(xiàn)二次資源中鋅的資源化利用提供理論依據(jù)。

1 實驗原料和方法

1.1 實驗原料

實驗所用原料來自某冶煉廠的高爐煉鐵煙塵，其主要化學成分見表1。

表1 高爐煙塵的主要化學成分 %

實驗原料經XRD物相分析表明，鋅主要是以氧化鋅和鐵酸鋅的形式存在，鐵主要是以赤鐵礦、磁鐵礦的形式存在。為滿足動力學研究需要，將實驗所用煙塵在100℃干燥5 h，待其冷卻后進行球磨，最后過篩使粒度＜75 μm待用。

1.2 實驗方法

按液固比為8 mL/g取適量的硫酸溶液倒入250 mL燒杯中，并置于恒溫磁力攪拌器上升溫至設定溫度，加入一定量的煙塵，在設定的溫度和時間下進行浸出反應，調整pH，進行真空抽濾，收集濾液。然后采用EDTA絡合滴定法分析，并計算出鋅的浸出率。

2 浸出動力學分析

高爐煉鐵煙塵的硫酸浸出屬固-液多相反應，多相反應的速度主要由化學反應或反應物擴散決定。當以化學反應為控制步驟時，稱反應處于化學控制；當以擴散為控制步驟時，稱多相反應為擴散控制，擴散控制又分為液膜擴散（外擴散）控制和固膜擴散（內擴散）控制［4］。

由上面的分析可知：如果反應受化學反應控制，反應速率遵循以下方程［5］：

式中：R為鋅的浸出率；k為化學反應速度常數(shù)；t為反應時間。

如果固體層的擴散是整個反應速率的控制步驟，反應速率遵循以下方程［5］：

式中：R為鋅的浸出率；k為擴散速度常數(shù)；t為反應時間。

3 實驗結果與討論

3.1 溫度的影響

在液固比為8 mL/g，硫酸質量濃度為150 g/L，溫度分別為60、70、80、90℃的條件下進行浸出，所得Zn的浸出率R與時間t的關系見表2。

表2 不同溫度條件下鋅浸出率隨時間的變化

由表2可知，隨著浸出溫度的升高，Zn的浸出率明顯增大。當溫度控制在90℃時，鋅的浸出率達到98.13%。這主要是因為，提高反應溫度會相應地提高浸出反應速度，同時溫度升高，溶液的黏度下降，這有利于反應試劑及產物的擴散［6］。

3.1.1 鋅浸出動力學方程

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)，將不同溫度下所得鋅浸出率R對應浸出時間t，分別計算各1-（1-R）1/3值和1-2/3R-（1-R）2/3值，并作出1-（1-R）1/3—t關系圖和1-2/3R-（1-R）2/3—t關系圖，結果如圖1和圖2所示。

圖1 不同溫度下時間與1-（1-R）1/3的關系曲線

由圖1和圖2對比可見，圖2中各浸出溫度下1-2/3R-（1-R）2/3與時間t呈現(xiàn)較好的線性關系，且經過原點，表明在同一溫度下k值不變，即k只為溫度的函數(shù)。這符合浸出過程綜合反應速率常數(shù)k在一定溫度下是常數(shù)，鋅浸出過程符合 “未反應核縮減”模型，反應受擴散控制［5］。

圖2 不同溫度下時間與1-2/3R-（1-R）2/3的關系曲線

3.1.2 鋅浸出表觀活化能

用線性回歸由圖2可求出每條直線的斜率即為反應速率常數(shù)k，所得數(shù)據(jù)列于表3。

表3 不同溫度下鋅浸出的速率常數(shù)

根據(jù)Arrhenius定理［7］：ln k=ln A-E/（RT）

式中：A為頻率因數(shù)；E為反應的表觀活化能；R為氣體常數(shù)。

以ln k對1/T作圖，可以得到一條直線，該直線的斜率k′為：k′=-E/R，由此可以計算出表觀活化能：E=-Rk′。

以ln k對1/T作Arrhenius線性擬合圖，見圖3。

由圖3可計算出表觀活化能E=12.7 kJ/mol。由

浸出動力學理論可知［8］：當表觀活化能在8～20 kJ/mol時，反應處在固膜（內）擴散控制區(qū)，即浸出速率是由最慢的擴散速率決定。由此可以確定，硫酸浸出高爐煉鐵煙塵中的鋅的控制步驟為內擴散控制。

3.2 硫酸濃度的影響

在液固比為8 mg/L，溫度為90℃，硫酸質量濃度為110、130、150、170 g/L的條件下進行浸出，所得Zn的浸出率R與時間t的關系見表4。

表4 不同硫酸濃度條件下鋅浸出率隨時間的變化

由表4可知，隨著硫酸濃度的升高，煙塵中的鋅的浸出率呈增大趨勢。當硫酸質量濃度控制在170 g/L時，鋅的浸出率達到99.19%。因為隨著硫酸濃度的增加，反應溶液的黏度會相應地增加，這樣反應試劑與反應產物的擴散阻力會增加，這也證明了此反應不受外擴散控制［6］。

按表4的數(shù)據(jù)計算各1-2/3R-（1-R）2/3值，將1-2/3R-（1-R）2/3對時間t作圖，結果如圖4所示。

圖4 不同硫酸濃度下時間與1-2/3R-（1-R）2/3的關系曲線

由圖4看出，不同硫酸濃度下1-2/3R-（1-R）2/3與時間t呈現(xiàn)較好的線性關系且經過原點，進一步證實了硫酸浸出鋅的過程為固膜擴散控制。用線性回歸由圖4求出各直線的斜率，即為反應速率常數(shù)k，所得數(shù)據(jù)列于表5。

以ln k對ln ρH2SO4作圖，結果如圖5所示。由圖5可知，直線的斜率為0.948 17，此即為浸出反應的表觀反應級數(shù)。

表5 不同硫酸濃度下鋅浸出的速率常數(shù)

圖5 ln k—ln ρH2SO4關系圖

4 結論

1）動力學研究表明，高爐煉鐵煙塵中鋅的浸出反應屬于不生成固體產物層的“未反應核縮減”模型。其浸出過程動力學方程遵從1-2/3R-（1-R）2/3=kt，其浸出反應活化能為12.7 kJ/mol，浸出過程為內擴散過程控制，表觀反應級數(shù)為0.948 17。2）提高反應溫度和硫酸濃度，均能加速Zn的浸出，提高Zn的浸出率。這是因為加速了溶液中的反應過程和傳質過程。

［1］ 龍小藝，龍凱.富氧催化酸浸低品位鋅灰制取氯化鋅工藝研究［J］.無機鹽工業(yè)，2009，41（6）：57-59.

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Research on kinetics of acid leaching of zinc from blast furnace dust

Jiang Yan，Sun Lida，Li Zijing，Zhu Kunhong，Sun Guangqun
（College of Science，Honghe University，Mengzi 661100，China）

Zinc from blast furnace dust was recovered by acid leaching method.The effects of sulfuric acid concentration and leaching temperature on leaching rate of zinc were investigated and its kinetics was also analyzed.Results indicated that the zinc leaching of blast furnace dust conformed to the model of‘unreactive atrophic nuclear’type.The leaching kinetics equation was established as 1-2/3R-（1-R）2/3=kt，and the leaching reaction activation energy was determined to be 12.7 kJ/mol. The leaching process was controlled by the internal diffusion procedures.The reaction progression was 0.948 17.Enhancing the concentration of sulfuric acid and the temperature would accelerate the speed of zinc leaching and raise the leaching rate.

：blast furnace dust；zinc；leaching；kinetics

TQ132.41

A

1006-4990（2015）01-0053-03

2014-07-14

姜艷（1980— ），女，講師，碩士，主要從事有色金屬冶金及資源綜合利用研究。

云南省應用基礎研究項目自籌經費項目（2013FZ123）。

聯(lián)系方式：jiangyan1626@126.com