锌系统除铁工艺探讨

硫酸锌生产除铁工艺探讨
2012年3月23日
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 录
一、硫酸锌生产除铁的重要性和意义 二、硫酸锌生产除铁工艺介绍 三、中和水解法 • （一）低铁氧化 • （二）高铁水解 • （三）氢氧化铁胶体的凝聚和净化作用 • 四、小结
一、硫酸锌生产除铁的重要性和意义
硫酸锌生产过程中的沉淀除铁问题，在 湿法冶金中最具代表性。硫化锌精矿一般有 5-15%的铁，浸出过程中锌和其他有色金属进 入溶液时，铁也不同程度地进入溶液。 无论是传统焙烧工艺铁酸锌的处理，还 是氧压浸出工艺中铁的析出，其目的均为了 锌铁分离，因此除铁显得尤为重要。
5、典型铁渣成分对比 、
6、除铁方法比较 、
三、中和水解法
该方法适用于低铁浓度的除铁作业，包括低铁氧化、高铁水解、氢 氧化铁沉降以及砷、锑、锗等杂质的共沉淀等三个过程。
（一）低铁氧化
1、金属离子水解pH 、金属离子水解
• Zn2+离子从单位活度溶液中水解pH值=5.5，考虑Zn2+离子活度，一般 Zn2+开始水解pH值≈6； • Fe2+离子从单位活度溶液中水解pH值=6.65，考虑Fe2+离子活度，一般 Fe2+开始水解pH值≈8； • Fe3+离子从单位活度溶液中水解pH值=1.5，考虑平衡后[Fe3+]很低，一 般Fe3+开始水解pH值≈2。 • 在Fe3+水解时，酸度远低于Zn2+开始水解pH值，因此，只有Fe3+水解， 而Zn2+、Fe2+均不会水解。
2、胶体荷电及吸附的电荷 、
（1）胶体荷电的原因 ） 胶体荷电是由于他们吸附了某种特定离子的结果。 （2）Fe(OH)3胶体荷电及吸附的电荷 ） 等电位点：Fe(OH)3胶体从溶液中吸附离子而带电， 其等电位点为pH值=5.2左右。
3、氢氧化铁胶体的共沉淀作用 氢氧化铁胶体的共沉淀作用
因为SiO32-、GeO32-同SO42-均为-2价，但浓度很低（酸性小，不容易 离解出离子）；SiO32-、GeO32-同AsO43-、SbO43-浓度均很低，但化合价高 于后者，因此，胶体吸附对其的作用很有限。 （1）硅 ） • 等电位点：硅胶从溶液中吸附离子而带电，其等电位点为pH值=2-2.5。 • 在pH=5.2左右，硅胶微粒将荷负电，荷负电的硅胶和荷正电的氢氧化 铁胶体在静电引力作用下会聚结在一起并从溶液中共同沉淀析出。 • 但是需要注意的是： （1）硅胶等电位点pH值=2-2.5，正常应该在此范围内容易凝集析出，但 硅胶大量析出确是发生在4.8-5.0处，这正是由于共同凝结的作用所致。 （2）共同凝结≠全部凝结，当两种溶胶数量或两者总体荷电量有一定差 值时，就只能出现部分沉淀，如果两种溶胶数量或两者总体荷电量相差 悬殊时则不发生沉淀的情况也存在。 • 2、锗 、 • 锗的行为与硅类似。在pH=5左右，锗胶微粒将荷负电，荷负电的锗胶 和荷正电的氢氧化铁胶体在静电引力作用下会聚结在一起并从溶液中 共同沉淀析出。
3、赤铁矿法——先还原，再中和，最后氧化水解（高温高压）的除铁作业 、
日本饭岛冶炼厂： （1）还原 中性浸出渣与废电解液在高压SO2下，95~100℃时进行作用，其结果是 Fe3+被还原为Fe2+：2Fe3++SO2+2H2O =2Fe2++ SO42-+4H+ （2）预中和 在用H2S除铜之后，溶液经过两段用石灰中和控制到pH=4.5，产出的石膏 供销售。 （3）氧化水解 铁以FeSO4形式存在，在中和时保留在溶液中，加热至180~200℃，经过 3h在1.3~2.0MPa压力作用下，设备采用高压釜，铁以α—Fe2O3沉出： 2Fe2++1/2O2+2H2O=Fe2O3 +4H+ • 反应过程中产生了H+（酸）。 沉铁后溶液含铁1~2g/l，加上洗涤过程反溶的铁，脱铁后溶液含铁只有、 4g/l左右，沉铁率达到90%左右。 德国Datteln电锌厂：对上述工艺加以改进，还原采用ZnS精矿，不需建SO2 液化工厂；预中和采用锌焙砂作中和剂，不存在石膏销售问题。但控制过程 始终不如日本饭岛冶炼厂稳定。
高铁水解的反应： • Fe3++3OH- ↔ Fe(OH)3 或Fe3++3H2O ↔ Fe(OH)3 +3H+ • 反应过程中产生了H+（酸）。
2、针铁矿法——先还原，再中和氧化水解的除铁作业 、
总反应方程式： • Fe2(SO4)3+ZnS+1/2O2+3H2O=ZnSO4+Fe2O3·H2O（或2FeOOH）+S0+2H2SO4 • 反应过程中产生了H+（酸）。 针对针铁矿法有两条实施途径： （1）V.M法 a、还原 将含Fe3+的浓溶液用过量15~20%的ZnS精矿在85~90℃条件下还原成Fe2+： 2Fe3++ZnS= 2Fe2++Zn2++S0 还原率可达90%以上。 b、中和氧化水解 在80~90℃条件下，Fe2+状态下加锌焙砂中和至pH=2~3.5，并用氧气氧化： 2Fe2++1/2O2+2ZnO+H2O=2FeOOH+2Zn2+ （2）E.Z法（亦称稀释法） 将热酸浸出液均匀缓慢地加入到强烈搅拌的沉铁槽中（实际就是将浸出液 [Fe3+]浓度加以稀释），Fe3+加入速度等于沉铁速度，并实时添加中和剂以维持 体系pH值恒定在3.0~3.5，得到的铁渣组成为Fe2O3·0.64H2O·0.2SO3。 • 小结：两种方法无论哪种都必须做到控制体系中[Fe3+]<1g/l，务必避免[Fe3+] 浓度过高，引发大量水解生成Fe(OH)3胶体；且控制一定的pH值。
3、Fe3+水解的重要因素 、 水解的重要因素——pH
• Fe3+水解反应： • Fe3++3OH- ↔ Fe(OH)3 • 对应的平衡常数为： 或 Fe3++3H2O ↔ Fe(OH)3 +3H+
• 由此可以看出，只有[H+]或[OH-]浓度指数为最高，等于3， [H ] [OH ] 3 所以，[H+]或[OH-]浓度的变化将对水解反应产生更大的影 响。工业生产上也是通过控制溶液pH值来控制和调节高铁 水解的，一般控制酸度被中和到pH值≈5左右（浸出终点 pH值在4.8-5.4），此时绝大部分的Fe都可以除去，残留的 Fe数量很少，完全满足电解液要求。
（二）高铁水解 1、水解法 、
• 使溶液中的杂质金属离子呈不溶性的氢氧化物沉 淀析出，是工业净化时常用的简便方法。 • 适用条件：杂质金属离子水解pH值<主体金属离子 水解pH值，杂质金属离子才有可能水解除去；且 相对pH值越大，水解效果越好。
2、 Fe3+水解 、
• Zn2+离子从单位活度溶液中水解pH值=5.5，从工业 浸出液中析出的pH值≈6； • Fe2+离子从单位活度溶液中水解pH值=6.65，从工 业浸出液中析出的pH值≈8； • Fe3+离子从单位活度溶液中水解pH值=1.5，从工业 浸出液中析出的pH值≈2。 • 由此可见：Fe3+（杂质金属离子）水解pH值< Zn2+ （主体金属离子）水解pH值，可以通过控制pH值， 使得溶液中大量Fe3+离子水解，而Zn2+离子不水解。
二、硫酸锌生产除铁工艺介绍
（一）氧化铁水合物（Fe2O3·nH2O） 氧化铁水合物（ ）
1、三水氧化铁——Fe2O3·3H2O，即Fe(OH)3——中和水解法 、三水氧化铁 ， 中和水解法 2、一水氧化铁 、一水氧化铁——Fe2O3·H2O，即FeOOH——针铁矿法 ， 针铁矿法 3、半水氧化铁 、半水氧化铁——Fe2O3·0.5H2O或2Fe2O3·H2O 或 4、一水半氧化铁 、一水半氧化铁——Fe2O3·1.5H2O或2Fe2O3·1.5H2O 或 5、两水氧化铁 、两水氧化铁——Fe2O3·2H2O
（三）氢氧化铁胶体的凝聚和净化作用 1、电泳现象 、
• 不同的胶粒其表面的组成情况不同。它们有的能吸附正电荷，有的能吸附 负电荷。因此有的胶粒带正电荷，如Al(OH)3胶体。有的胶粒带负电荷，如 三硫化二砷(As2S3)胶体等。如果在胶体中通以直流电，它们或者向阳极迁 如果在胶体中通以直流电， 如果在胶体中通以直流电 或者向阴极迁移， 移，或者向阴极迁移，像这样胶体中的分散质微粒在电场作用下作定向移 动的现象，就是所谓的电泳现象。 动的现象，就是所谓的电泳现象。 • 造成的电泳现象原因：胶粒有较大的表面积，能吸附离子，使得胶粒带电 造成的电泳现象原因：胶粒有较大的表面积，能吸附离子， 荷。 • 同种胶粒带有同种电荷，减少了胶粒发生碰撞的可能性，从而阻止了胶粒 同种胶粒带有同种电荷，减少了胶粒发生碰撞的可能性， 相互结合变成更大的颗粒以沉淀析出。 相互结合变成更大的颗粒以沉淀析出。如果在这类胶体中加入电解质，电 解质电离产生的离子会中和胶粒所带的电荷，使胶粒凝聚而沉淀。 • 例子 ：河流中的粘土胶粒由于吸附了氢氧根离子而带负电荷。当河水流 例子1： 到含盐的海水里时，带负电荷的粘土胶粒被海水中带正电荷的钠离子及镁 离子中和，使粘土沉淀下来，最终在河口形成了三角洲。 • 例子2：在高炉的烟中，炭黑和灰尘常呈胶粒状，并带有电荷。如果在烟囱 上安装一个高压电极，可以吸收带负电荷的胶粒，并沉积下来。这样不仅 可以从中回收到贵重的产品，还可以减少空气的污染。
（二）无水氧化铁
1、氧化亚铁——FeO 、氧化亚铁 2、氧化铁 、氧化铁——Fe2O3——赤铁矿法 3、四氧化三铁 、四氧化三铁——Fe3O4——污水处理
（三）复盐和络盐
由简单的盐进一步组成的较复杂的化合物称为复盐或络盐，如： 复盐： (NH4)2SO4+FeSO4 (NH4)2Fe(SO4)2（模尔盐） 络盐：Fe(CN)2+4KCN K4[Fe(CN)6]（亚铁氰化钾） Fe(CN) ] 1、复盐代表：明矾、黄钾铁矾 、复盐代表：明矾、 所谓矾是指由两种或两种以上金属的硫酸盐所组成的复盐。 通常是三价金属离子，如Al3+、Fe3+、Cr3+、V3+等最容易生产矾。 明矾：KAl(SO4)2·12H2O，是最常见的矾之一。 黄钾铁矾：AFe3(SO4)2(OH)6或A2O·3Fe2O3·4SO3·6H2O。 其中A为一价阳离子，如K+、Na+、NH4+、Rb+、Ag+、Pb2+/2或H3O+等。 2、黄钾铁矾 、 由于黄钾铁矾具有溶解度小、易于结晶、晶粒大等特点，用于湿法炼锌 除铁工艺。