Кинетика выщелачивания цинка из шлака свинцово-медного производства Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

УДК 621.58: 622.775: 531.3

А.А.ЧИСТЯКОВ

Металлургический факультет, группа МЦП-М-01, ассистент профессора

КИНЕТИКА ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦИНКА ИЗ ШЛАКА СВИНЦОВО-МЕДНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Найдены оптимальные условия процесса выщелачивания. Определены зависимости скорости процесса от основных технологических параметров - температуры, концентрации реагентов, соотношения Ж : Т фаз. Получены кинетические характеристики процесса выщелачивания: константы скорости реакции при различных температурах, кажущаяся энергия активации процесса.

The optimum conditions of process of lixiviation are retrieved. The relations of speed of process to the main technological parameters - temperature, concentration of reactants, ratio l:h of phases are determined. The kinetic characteristics of process of lixiviation are obtained: constants of reaction speed at different temperatures, value of apparent energy of activation of process.

Одним из основных способов переработки бедных руд и отходов металлургического производства является применение гидрометаллургических процессов, обеспечивающих избирательное извлечение металлов [2]. Широкое применение получили новые эффективные ионообменные и экстракционные методы извлечения и разделения металлов, а также автоклавные процессы выщелачивания металлов из рудного сырья.

Нами исследовано щелочное выщелачивание шлака. Использование в качестве растворителя щелочи имеет следующие преимущества: селективность к извлекаемому элементу, минимум коррозии оборудования, высокая интенсивность разделения фаз на фильтре. При кислотном выщелачивании образуется труднофильтруемый кремнегель, который сорбирует германий из раствора. Механизм соосаждения объясняется образованием твердого раствора GeO2 в SiO2 • aq [3]. Скорость выщелачивания изучали в статических условиях, используя шлак с размерами гранул менее 71 мкм. В автоклавы объемом 75 мл помещали навеску шлака массой 8 г и заполняли раствором щелочи концентрацией 20 % по массе. Соотношение объема жидкой фазы V

(в миллиметрах) к массе твердого образца m (в граммах) менялось от 3 до 5. Выщелачивание цинка проводилось при температурах: 90, 150, 180, 200, 220, 250 °С. Перемешивание происходило за счет «взбалтывания» раствора. Через определенные промежутки времени вынимали автоклавы, охлаждали и отделяли твердую фазу от жидкой на фильтре синяя лента. Содержание цинка определяли рентгенофлуоресцент-ным методом, используя кристалл-дифракционный сканирующий спектрометр «SPECTROSCAN-U». Концентрацию цинка в анализируемом образце находили по измеренной интенсивности его рентгеноспек-тральной линии - 1435 мА (рис.1, а).

Из рис. 1, а видно, что оптимальный температурный диапазон процесса, при котором достигается ~ 80 % по массе извлечения цинка в раствор, составляет 200-220 °С. Дальнейшее увеличение температуры (до 250 °С) ведет к уменьшению выхода цинка в раствор, по-видимому, за счет протекания вторичных процессов, например, извлечения кремния.

Определение констант скорости реакции было проведено с помощью методики [1], основанной на использовании интегральных зависимостей, связывающих

0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0

a

I 1

50 100 150 200 250 300 350 400

100 T, мин

90 °С 200 °С

■150°С

220 °С

■X - 180 °С • 250°С

Рис. 1. Экспериментальная зависимость извлечения цинка а (а) и логарифма степени извлечения (б) от времени т

б

а

0

концентрацию реагирующего вещества с параметрами процесса и временем его протекания.

Предположим, что скорость реакции в процессе выщелачивания подчиняется уравнению первого порядка:

dа / dт = к (1 - а),

где dа / dт - скорость изменения степени извлечения; к - скорость реакции, мин"1; а - степень извлечения компонента.

Интегральная зависимость имеет полулогарифмический вид

—г = кт . (1 -а)

По опытным данным построили графическую зависимость 1п[1/(1 -а)] = f (т) (рис.1, б), прямолинейный характер которой подтверждает правильность сделанного предположения.

По тангенсу угла наклона прямых получены константы скорости выщелачивания катионов цинка из шлака свинцово-медного производства:

Константа скорости реакции к,

мин-1 0,024 0,0214 0,0102 0,0081 0,0009

Температура, К 493 473 453 423 363

Кажущуюся энергию активации определяли как функцию одной переменной -температуры при постоянстве остальных параметров процесса (начальных концентраций реагентов, количества, крупности, формы частиц выщелачиваемого материала, интенсивности перемешивания и др.). Графическая зависимость логарифма константы скорости реакции от обратной температуры: ln k = f (T_1) является прямолинейной (рис.2) и имеет вид

lnk = -4565,1(1/7) + 5,6736, R2 = 0,975.

Ink

Рис.2. Зависимость логарифма константы скорости выщелачивания цинка от обратной температуры

- 181

Санкт-Петербург. 2007

По угловому коэффициенту - (Еа / R) рассчитали энергию активации:

Еа = R|fga| = 38 кДж/моль,

что соответствует диффузионно-кинетическому режиму.

Для определения оптимальных условий процесса выщелачивания изучена степень извлечения цинка в зависимости от концентрации щелочи и соотношения фаз Ж : Т = 3 при постоянной температуре 200 °С. Результаты экспериментов показали, что увеличение концентрации щелочи свыше 20 % по массе не приводит к увеличению выхода цинка в раствор. Таким образом, оптимальная концентрация щелочи при выщелачивании ~ 20 % по массе.

Соотношение фаз Ж : Т сильно влияет на характер кинетических зависимостей. Целесообразно вести процесс при соотношении Ж : Т = 5.

Выводы

1. Найдены оптимальные условия ведения процесса выщелачивания: концентрация щелочи 20 % по массе, температура процесса 200-220 °С, соотношение фаз Ж : Т = 5.

2. Получены кинетические характеристики процесса выщелачивания: константы скорости реакции при различных температурах, энергия активации, составляющая 38 кДж-моль-1.

Процесс выщелачивания соответствует диффузионно-кинетическому режиму, порядок по реагенту равен единице.

ЛИТЕРАТУРА

1. Безденежных А.А. Инженерные методы составления уравнений скоростей реакций и расчета кинетических констант. Л.: Химия, 1973. 256 с.

2. Зеликман А.Н. Теория гидрометаллургических процессов / А.Н.Зеликман, Г.М.Вольдман, Л.В.Беляевская // М.: Металлургия, 1983. 424 с.

3. Назаренко В.А. Аналитическая химия германия. М.: Наука, 1973. 264 с.

Научный руководитель д.х.н. проф. Д.Э.Чиркст