CC BY
71
УДК 669.536.221
Л.Ю. Удоева
канд. техн. наук, лаборатория пирометаллургии цветных металлов, Институт металлургии Уральского отделения РАН
В.М. Чумарев
д-р техн. наук, лаборатория пирометаллургии цветных металлов, Институт металлургии Уральского отделения РАН
А.Г. Уполовникова
канд. тех. наук, лаборатория пирометаллургии цветных металлов, Институт металлургии Уральского отделения РАН
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ГИДРОХИМИЧЕСКОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ЦИНКОВЫХ КЕКОВ
Работа выполнена по Программе ОХНМ РАН, проект № №12-Т-3-1023
Аннотация. В статье представлены теоретические и экспериментальные исследования кислотного выщелачивания цинковых кеков. Процесс концентрирования драгоценных металлов в твердой фазе, а цветных металлов в кислотном растворах рассмотрен методом термодинамического анализа взаимодействия цинковых кеков с HCl и HNO3, выполненного на базе программного обеспечения HSC 5.1Chemistry (Outokumpu). Найденные по равновесным закономерностям оптимальные условия извлечения цинка, свинца, серебра и др. подтверждены результатами лабораторных испытаний, что указывает на адекватность термодинамических моделей реальным процессам и возможность практической реализации гидрохимической переработки цинковых кеков с применением соляной кислоты.
Ключевые слова: термодинамического моделирования, цинковые кеки, выщелачивание, соляная кислота.
L.J. Udoeva, Institute of Metallurgy, Russian Academy of Sciences
V.M. Chumarev, Institute of Metallurgy, Russian Academy of Sciences
A.G. Upolovnikova, Institute of Metallurgy, Russian Academy of Sciences
STUDY OF HYDROCHEMICAL PROCESSING OF ZINC PLANT RESIDUE
Abstract. The theoretical and experimental studies of acid leaching of zinc plant residue are presented. The concentrating of precious metals in the solid phase due to the transfer of the other components into the acid solution is considered by thermodynamic modeling of the interaction of zinc plant residue with HCl and HNO3 with the help of the software HSC 5.1 Chemistry (Outokumpu). Found equilibrium conditions for a recovery of zinc, lead, silver and other have been confirmed by the results of the laboratory test what indicates the adequacy of the obtained regularities to actual processes, as well as the possibility of practical use of the hydrochloric acid leaching for processing of zinc plant residue.
Keywords: thermodynamic modeling, zinc plant residue, leaching, hydrochloric acid.
При производстве цинка гидрометаллургическим способом после выщелачивания обожженного цинкового концентрата остаются кеки, содержащие цинк, свинец, серебро и другие ценные металлы. Пирометаллургическим способом (вельц-процесс) достаточно эффективно извлекается цинк, большая часть свинца, кадмия и индия. Благородные металлы, в частности серебро, содержание которого в цинковом кеке составляет обычно 200-400 г/т, на 50 и более процентов переходят в остаток вельцева-
ния - медистый клинкер (3-4% меди), который на цинковых заводах не перерабатывается [1]. В связи с этим актуальна проблема поиска технологии комплексной переработки цинковых кеков с извлечением всех ценных металлов.
Рассмотрена возможность использования гидрометаллургического способа переработки цинковых кеков, сущность которого заключается в извлечении кислотами цинка, железа и других компонентов в раствор и концентрировании благородных металлов в твердом остатке. По предлагаемой технологии растворы будут направляться на пирогидролиз (процесс Рутнера) [2, 3], которой обеспечит регенерацию кислоты и образование оксида цинка - товарного продукта.
В представленной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования процесса кислотного выщелачивания цинковых кеков ОАО «Электроцинк» (г. Владикавказ), содержащих, масс. %: 22.06 Zn, 27.35 Fe, 3.12 Mn, 1.77 Cu, 1.32 Pb, 0.12 Cd, 0.01 Co, 5.08 SiO2, 1.34 CaO, 0.7 MgO, а также (в г/т) 469,4 Ag и 3,1 Au. По результатам рентгенофазового анализа основными компонентами цинкового кека являются Fe2ZnO4 и p-ZnS - феррит и сульфид цинка.
Для прогнозирования равновесных составов продуктов выщелачивания и оптимизации расхода кислоты для максимального извлечения в раствор цинка выполнено термодинамическое моделирование взаимодействия цинкового кека с HCl и HNO3 с применением программного обеспечения HSC 5.1 Chemistry (Outokumpu). Критерий выбора кислот - возможность их регенерации из растворов пирогидролизом. В расчеты заложен состав промышленного образца цинкового кека. При отношении Ж:Т равном 5 масса рабочего тела составляла 600 кг, то есть на 100 кг цинкового кека 500 кг раствора кислоты.
На рисунке 1 представлены изменения равновесных составов кеков выщелачивания в зависимости от расхода кислот. Видно, что уже при низких расходах HNO3 (10% раствор) возможно полное разложение цинксодержащих компонентов: Fe2ZnO4, ZnO и ZnS. Причем железо преимущественно остается в твердой фазе, что позволяет рассчитывать на получение довольно чистого раствора нитрата цинка.
Действие соляной кислоты менее избирательно, и в раствор можно перевести, кроме цинка, все железо и часть других металлов. Характерно, что для разложения ZnS c точки зрения термодинамики потребуется практически концентрированная HCl (более 30%). Это ведет, с одной стороны, к необходимости очистки растворов выщелачивания от железа и прочих примесей перед процессом Рутнера, но с другой стороны, применение соляной кислоты может обеспечить более высокую степень обогащения твердого остатка благородными металлами.
Таким образом, согласно модельным представлениям, выбор кислот для выщелачивания можно варьировать в соответствии с составом перерабатываемых цинковых кеков и руководствуясь целями производства: получением товарного оксида цинка или концентрированием благородных металлов. На наш взгляд, соляная кислота в этом отношении обладает большей универсальностью, чем азотная.
Для проверки результатов термодинамического анализа проведены эксперименты по определению зависимости степени выщелачивания цинкового кека соляной кислотой от концентрации, температуры и продолжительности процесса.
Установлено, что при температуре 323 К и отношении Ж:Т равном 5 процесс
выщелачивания 20%-ной HCl завершается за 60-70 минут. В тех же условиях за это время увеличение концентрации кислоты от 8% до 20% ведет к двукратному возрастанию степени выщелачивания. Наиболее активно влияет на растворение цинковых ке-ков температурный фактор (рис. 2).
wt-%
50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0
60
/
Fe 2 O3
-ZnO SiO2
MnO2 X--
_ PbSO4 \
CuO
10 20 30 40 50
а)
HNO3 60 kg
30
10
50
100
150
HCl 200 kg
б)
Рисунок 1 - Изменение равновесного состава твердых продуктов выщелачивания цинковых кеков кислотами: а - азотная кислота; б - соляная кислота
По результатам химического анализа применение 20%-ной соляной кислоты при температуре 353 К обеспечивает в течение 60мин извлечение в раствор выщелачивания до 80% цинка и более 70% железа (табл.).
0
50
40
20
0
0
Продолжительность, мин
а)
100 80 60 40 20 0
5 10 15 20
Концентрация кислоты, %
100 80 60 40 20
273
323
Температура , К
373
б) в)
Рисунок 2 - Зависимость степени выщелачивания цинковых кеков
соляной кислотой от основных параметров процесса: а - продолжительности; б - концентрации HCl; в - температуры
Таблица - Влияние концентрации HCl на извлечение в раствор Zn и Fe
0
25
30
Концентрация, % Извлечение в раствор, %
Zn Fe
8 40,6 24,4
10 47,1 24.0
13 57,0 31,4
20 79,0 69.0
27 79,9 73,3
По результатам проведенных исследований можно рекомендовать в качестве оптимальных условий выщелачивания цинковых кеков следующие режимные параметры: температура 353 К, продолжительность 60-70 мин, отношение Ж:Т = 5, концентрация HCl 20%. Следует отметить, что по данным рентгенофазового анализа кеки выщелачивания, полученные в указанных условиях, содержат остаточные количества ß-ZnS, что хорошо согласуется с результатами термодинамического моделирования.
Список литературы:
1. Казанбаев Л. А., Козлов П. А., Кубасов В. Л., Колесников А. В. Гидрометаллургия
цинка (очистка растворов и электролиз). - М.: Издательский дом «Руда и металлы», 2006. - 176 с.
2. Раков Э. Г., Тесленко В. В. Пирогидролиз неорганических фторидов. - M.: Наука, 1987.
3. Бок Р. Методы разложения в аналитической химии. - M: Мир, 1984. List of references:
1. Kazanbaev L.A., Kozlov P.A., Kubasov V.L., Kolesnikov A.V. Zinc Hydrometallurgy (cleaning solutions and electrolysis). - Moscow: "Ore and Metals", 2006. - 176 p.
2. Rakov E.G., Teslenko V.V. Pyrohydrolysis inorganic fluorides - M.: Nauka, 1987.
3. Bock R. Decomposition methods in analytical chemistry. - M: Mir, 1984.
