CN102660681A - 锌液净化工艺及锌液净化中的锌粉置换法 - Google Patents

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汪涛
张祥剑
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Abstract

本发明公开了锌液净化工艺及锌液净化中的锌粉置换方法，该锌液净化工艺的步骤为：A、对置换反应前的锌液进行膜过滤，使其固含量降至20mg/L以下；B、通过锌粉置换法在锌液中置换出铜、镉、钴、镍中的一种或几种杂质；C、对锌液进行固—液分离；D、重复步骤B至步骤C至少一次，最后在锌液中分离出铜、镉、钴、镍。此外，本发明提供的另一种锌液净化工艺中的步骤B仅进行一次，并且在步骤B中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。

Description

锌液净化工艺及锌液净化中的锌粉置换法
技术领域
本发明涉及湿法炼锌中的锌液净化工艺，具体涉及将中性浸出液中的杂质除至规定的限度以下，以满足电解沉积时对新液要求的过程及设备。
背景技术
由本发明的申请人申请的、申请号为201110231150.X的发明专利申请文件中提供了一种锌液净化工艺，其主要内容是通过TiAl金属间化合物多孔材料为过滤元件来解决了锌液过滤时过滤元件的堵塞及杂质反溶的技术问题。但是，该申请仅仅涉及到锌液净化中从锌粉置换开始到最终分离出铜、镉、钴、镍的过程，而并未涉及到置换反应开始前对中性浸出液的具体处理措施。
实际上，在本发明的申请日前，本领域大多会先将中性浸出液导入浓密机中进行浓缩处理，然后再将浓缩处理后的上清液（即中上清）进行锌粉置换处理。比如，CN101994005A的附图1即示出了对上清液先后进行三段净化，第一段净化除铜，第二段净化除钴、镍，第三段净化除镉，且每一段净化均通过过滤得到除杂后的锌液的过程。
也有的锌厂直接将中性浸出液进行锌粉置换处理。比如，“电解锌厂锌净液工艺设计，杨莲，工程设计与研究，总第119期，2006年6月”一文的流程图中即示出了对中性浸出液先后进行三段净化，第一段净化除铜、镉，第二段净化除钴、镍，第三段净化再次除镉，且每一段净化均通过过滤得到除杂后的锌液的过程。
总之，从目前所反映出的对锌液净化工艺的研究趋势表明，人们对锌液净化工艺的改良往往集中于锌粉置换过程。其原因也许在于，按通常认识，锌粉置换过程中的置换及过滤效果是保证新液质量的直接因素，锌粉置换前锌液杂质含量的高低对净化效果的影响可通过锌粉置换时的过滤精度来控制。
另一方面，从申请人掌握的现有技术也表明，本领域对锌粉置换法的研究还没能做到一次置换出铜、镉、钴、镍。因此，现有锌液净化中从锌粉置换开始到最终分离出铜、镉、钴、镍至少需要两段净化，故其工艺流程较长。
发明内容
本发明所要解决的第一个技术问题是提供净化效果好的锌液净化工艺。
对此，本发明的锌液净化工艺包括以下步骤：
A、对置换反应前的锌液进行膜过滤，使其固含量降至20mg/L以下；
B、通过锌粉置换法在锌液中置换出铜、镉、钴、镍中的一种或几种杂质；
C、对锌液进行固—液分离；
D、重复步骤B至步骤C至少一次，最后在锌液中分离出铜、镉、钴、镍。
上述锌液净化工艺与现有技术的共同点是从锌粉置换开始到最终分离出铜、镉、钴、镍的过程都需要至少两段净化。但是，由于本发明采用了先将置换反应前的锌液的固含量降至20mg/L以下的技术手段，因此最终得到的净化效果出现明显的提高。
其中，步骤A中所述置换反应前的锌液是指中性浸出液或者是将中性浸出液沉淀后得到的上清液。当然，考虑到对中性浸出液或上清液所可能存在的其他预先处理措施，步骤A中所述置换反应前的锌液也可能是经过这些预先处理后的锌液。总之，上述方法的关键就在于确保置换反应前的锌液固含量≤20mg/L。
进一步的，步骤A中的膜过滤为错流过滤：当对中性浸出液直接进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液进行沉淀，再将沉淀得到的上层清液打回待过滤的中性浸出液中，而沉淀得到的底液排出；当对上清液进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液打回前段的浓密机内进行沉降。
也就是说，本发明为实现对置换反应前的锌液进行膜过滤而考虑了两种具体的过滤方案：第一种过滤方案的主要出发点是为了取消现有锌液净化工艺中为将中性浸出液沉淀得到上清液而设置的浓密机，因此，本发明提出将中性浸出液直接进行错流过滤；由于错流过滤相比于浓密机可以极大的减少浓缩液的量，因此，对错流过滤后的浓缩液的沉淀可由一个比现有浓密机小得多的沉淀设备来实现，这样就很好的改善了锌厂对浓密机的操作所带来的诸多问题。第二中过滤方案的主要出发点是不改变现有锌液净化工艺浓密机的配置，从而避免对现有厂房设施作较大调整，因此，本发明又提出对上清液进行错流过滤，然后将错流过滤后的浓缩液打回前段的浓密机内进行沉降。显然，无论采用上述何种过滤方案，均是将错流过滤得到的清液进行锌粉置换法处理。
上述步骤A和步骤C中均可采用有机多孔材料膜或无机多孔材料膜（如陶瓷多孔材料膜、金属多孔材料膜、金属间化合物多孔材料膜）为过滤元件。但作为优选过滤材料，步骤A和/或步骤C中采用TiAl膜。TiAl膜在锌液过滤中的特殊作用参见本申请人的201110231150.X号在先发明专利申请文件的记载。
在上述步骤B中，可通过锌粉置换法在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍；其中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。
试验发现，按照上述各项参数对锌粉置换工艺进行控制后能够在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍四种杂质。并且，该工艺还能够达到较好的置换效果。因此，本发明接下来还要提供一种净化效果好且工艺流程短的锌液净化工艺。
为此，本发明的另一锌液净化工艺包括以下步骤：
A、对置换反应前的锌液进行膜过滤，使其固含量降至20mg/L以下；
B、通过锌粉置换法在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍；
C、对锌液进行固—液分离，最后在锌液中分离出铜、镉、钴、镍；
其中，步骤B仅进行一次，并且在步骤B中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。
该锌液净化工艺中从锌粉置换开始到最终分离出铜、镉、钴、镍的过程只需一段净化，故其工艺流程较现有锌液净化工艺大为缩短。目前，我国设计规范中允许的铜、镉、钴、镍含量：铜为0.3～0.5mg/L，镉为2～5mg/L，钴为＜3mg/L，镍为＜2mg/L。试验表明，采用上述这种锌液净化工艺可将铜、镉、钴、镍四种杂质的含量降低至大大低于上述标准。
其中，步骤C的时间越短越能够防止杂质反溶；因此，将步骤C中的固—液分离时间控制在1～10min为优。另外，步骤B使用的锌粉越细，置换效果越好；故步骤B中采用325～400目的细锌粉为优。此外，步骤B中Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～5）/1为优；（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～5)/100为优。另外，将步骤B中置换反应温度控制在45～60℃为优；将步骤B中置换反应时间控制在50～60min为优。
步骤A中置换反应前的锌液是指中性浸出液或者是将中性浸出液沉淀后得到的上清液。当然，考虑到对中性浸出液或上清液所可能存在的其他预先处理措施，步骤A中所述置换反应前的锌液也可能是经过这些预先处理后的锌液。
进一步的，步骤A中的膜过滤为错流过滤：当对中性浸出液直接进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液进行沉淀，再将沉淀得到的上层清液打回待过滤的中性浸出液中，将沉淀得到的底液排出；当对上清液进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液打回前段的浓密机内进行沉降。此处为实现对置换反应前的锌液进行膜过滤同样考虑了两种过滤方案，这两种过滤方案分别与前述第一种过滤方案和第二种过滤方案相同，故不再赘述。
上述步骤A和步骤C中均可采用有机多孔材料膜或无机多孔材料膜（如陶瓷多孔材料膜、金属多孔材料膜、金属间化合物多孔材料膜）为过滤元件。但作为优选过滤材料，步骤A和/或步骤C中采用TiAl膜。TiAl膜在锌液过滤中的特殊作用参见本申请人的201110231150.X号在先发明专利申请文件的记载。
以上即为本发明所要提供的锌液净化工艺。以下，本发明还将提供与上述工艺相应的锌液净化设备，该锌液净化设备能够提高对锌液的净化效果。
该锌液净化设备包括：第一膜过滤装置，用于对置换反应前的锌液进行膜过滤处理；置换反应装置，用于对锌液进行锌粉置换除杂；固液分离装置，用于对锌粉置换处理后的锌液进行固—液分离。该锌液净化设备相比于现有设备增加了用于对置换反应前的锌液进行膜过滤处理的第一膜过滤装置。由于本领域技术人员对现有锌液净化工艺的改良往往集中于锌粉置换过程，因此并不可能显而易见的得到对置换反应前的锌液进行膜过滤处理的技术构思。通过对置换反应前的锌液进行膜过滤处理，可降低锌液中的固含量，由此提高锌液净化效果。
进一步的，所述第一膜过滤装置经管道与沉淀槽连接并组成错流过滤系统。该沉淀槽既可以指前述第一种过滤方案中的沉淀设备，也可以指前述第二种过滤方案中的浓密机。由于锌液中的固渣包含胶体物质，而错流过滤对除胶体有特殊的效果：错流过滤的剪切力能够有效防止胶体附着在滤芯表面，从而减少滤饼层的厚度，保证过滤通量。
其中，所述第一膜过滤装置和/或固液分离装置中采用TiAl膜为过滤元件。
本发明的锌液净化中的锌粉置换法，通过该锌粉置换法在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍，其中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。
其中，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～5）/1；活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～5)/100。另外，将置换反应温度控制在45～60℃为优；置换反应时间控制在50～60min为优。
下面再结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明对比例的工艺系统图。
图2为本发明实施例1的工艺系统图。
图3为本发明实施例3的工艺系统图。
图4为本发明实施例5的工艺系统图。
具体实施方式
对比例
如图1所示，锌液净化工艺为：先将中性浸出液导入浓密机4A中进行浓缩处理，然后再将浓缩处理后固含量约为2.5g/L的上清液（即中上清）导入第一段反应釜2A中进行第一段净化除铜、镉，此过程采用120目的锌粉，锌粉的加入量为每升锌液中加入2克锌粉，置换反应温度为60℃，置换反应时间为60min；然后，通过第一固液分离装置3A对锌液进行过滤，之后再将锌液导入第二段反应釜2B中进行第二段净化除钴、镍，此过程同样采用120目的锌粉，且锌粉的加入量仍为每升锌液中加入2克锌粉，锑盐的加入量为每升锌液中加入0.1克锑盐，置换反应温度为80℃，置换反应时间为90min；反应后再将锌液通入第二固液分离装置3B进行过滤。通过上述二段净化后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.42mg/L，镉4.5mg/L，钴0.98mg/L，镍1.3mg/L。其中，新液中铜、镉、钴、镍离子的含量检测手段为等离子原子发射光谱仪（以下同）。
实施例1
如图2所示，在对比例的基础上，本发明实施例1采用如下改进工艺：先将中性浸出液导入浓密机4A中进行浓缩处理，然后再将浓缩处理后固含量约为2.5g/L的上清液导入第一膜过滤装置1进行错流过滤，将错流过滤后的浓缩液打回前段的浓密机4A内进行沉降，而错流过滤得到固含量约为20mg/L的清液按照与上述对比例完全一致的两段净化工艺进行除铜、镉、钴、镍。通过二段净化后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.35mg/L，镉1.15mg/L，钴0.3mg/L，镍0.3mg/L。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同。区别仅为：通过提高过滤精度，使经过第一膜过滤装置1进行错流过滤后得到固含量约为10mg/L的清液。通过二段净化后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.28mg/L，镉0.95mg/L，钴0.25mg/L，镍0.23mg/L。实施例2表明，当清液的固含量为10mg/L以下时，净化后所得新液中的镉达到1mg/L（即1ppm）以下，有效的防止了镉的反溶问题。
实施例3
如图3所示，本发明实施例3采用如下改进工艺：直接将固含量约为5g/L的中性浸出液通入第一膜过滤装置1进行错流过滤，错流过滤后的浓缩液在沉淀设备4B中进行沉淀，再将沉淀得到的上层清液打回待过滤的中性浸出液中，并将沉淀得到的底液排出，而错流过滤得到固含量约为20mg/L的清液按照与实施例1完全一致的两段净化工艺对清液进行除铜、镉、钴、镍。通过二段净化后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.38mg/L，镉1.3mg/L，钴0.3mg/L，镍0.3mg/L。
实施例4
实施例4与实施例3基本相同。区别仅为：通过提高过滤精度，使经过第一膜过滤装置1进行错流过滤后得到固含量约为15mg/L的清液。通过二段净化后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.3mg/L，镉1.12mg/L，钴0.23mg/L，镍0.23mg/L。
实施例5
如图4所示，本发明实施例5采用如下改进工艺：直接将固含量为5g/L的中性浸出液通入第一膜过滤装置1进行错流过滤，错流过滤后的浓缩液在沉淀设备4B中进行沉淀，再将沉淀得到的上层清液打回待过滤的中性浸出液中，并将沉淀得到的底液排出，而错流过滤得到固含量约为20mg/L的清液按照下述工艺对锌液进行一次锌粉置换处理：置换采用180目的细锌粉，并加入砷盐作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝3/1，活化剂的加入量为As/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝2/100，置换反应温度为40℃，置换反应时间为5min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为10min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.3mg/L，镉0.77mg/L，钴0.1mg/L，镍0.1mg/L。
实施例6
工艺步骤与实施例5同。锌粉置换处理的具体工艺为：按照下述工艺对固含量为20mg/L的锌液进行一次锌粉置换处理：置换采用400目的细锌粉，并加入砷盐，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝10/1，活化剂的加入量为As/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝10/100，置换反应温度为75℃，置换反应时间为120min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为5min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.19mg/L，镉0.3mg/L，钴0.1mg/L，镍0.1mg/L。
实施例7
工艺步骤与实施例5同。但锌粉置换处理的具体工艺为：按照下述工艺对固含量为20mg/L的锌液进行一次锌粉置换处理：置换采用400目的细锌粉，并加入锑盐，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝10/1，锑盐的加入量为Sb/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝10/100，置换反应温度为75℃，置换反应时间为120min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为5min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.2mg/L，镉0.31mg/L，钴0.1mg/L，镍0.1mg/L。
实施例8
工艺步骤与实施例5同。但锌粉置换处理的具体工艺为：按照下述工艺对固含量为20mg/L的锌液进行一次锌粉置换处理：置换采用325目的细锌粉，并加入锑盐，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/1，锑盐的加入量为Sb/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/100，置换反应温度为45℃，置换反应时间为50min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为5min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.15mg/L，镉0.2mg/L，钴0.1mg/L，镍0.1mg/L。
实施例9
工艺步骤与实施例5同。但锌粉置换处理的具体工艺为：按照下述工艺对固含量为20mg/L的锌液进行一次锌粉置换处理：置换采用325目的细锌粉，并加入锑盐，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/1，锑盐的加入量为Sb/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/100，置换反应温度为60℃，置换反应时间为60min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为5min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.14mg/L，镉0.2mg/L，钴0.1mg/L，镍0.1mg/L。
实施例10
锌液净化工艺为：按照下述工艺直接将浓缩处理后固含量约为2.5g/L的上清液（即中上清）进行一次锌粉置换处理：置换采用325目的细锌粉，并加入锑盐，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/1，锑盐的加入量为Sb/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝5/100，置换反应温度为60℃，置换反应时间为60min。然后对置换处理后的锌液进行固液分离，过滤时间为5min，过滤后所得新液中铜、镉、钴、镍离子的含量分别为：铜0.5mg/L，镉3.5mg/L，钴0.54mg/L，镍1.2mg/L。

Claims (10)

1.锌液净化工艺，包括以下步骤：
A、对置换反应前的锌液进行膜过滤，使其固含量降至20mg/L以下；
B、通过锌粉置换法在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍；
C、对锌液进行固—液分离，最后在锌液中分离出铜、镉、钴、镍；
其中，步骤B仅进行一次，并且在步骤B中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。
2.如权利要求1所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤C中的固—液分离时间控制在1～10min。
3.如权利要求1或2所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤B中采用325～400目的细锌粉。
4.如权利要求1或2所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤B中Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～5）/1；（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～5)/100。
5.如权利要求1或2所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤B中置换反应温度为45～60℃。
6.如权利要求1或2所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤B中置换反应时间为50～60min。
7.如权利要求1或2所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤A中置换反应前的锌液是指中性浸出液或者是将中性浸出液沉淀后得到的上清液。
8.如权利要求7所述的锌液净化工艺，其特征在于：步骤A中的膜过滤为错流过滤：当对中性浸出液直接进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液进行沉淀，再将沉淀得到的上层清液打回待过滤的中性浸出液中，将沉淀得到的底液排出；当对上清液进行错流过滤时，将错流过滤后的浓缩液打回前段的浓密机内进行沉降。
9.锌液净化中的锌粉置换法，其特征在于：通过该锌粉置换法在锌液中同时置换出铜、镉、钴、镍，其中，置换采用180～400目的细锌粉，并加入砷盐、锑盐中的一种或两种作活化剂，锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～10）/1，活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～10)/100，置换反应温度为40～75℃，置换反应时间为5～120min。
10.如权利要求9所述的锌液净化中的锌粉置换法，其特征在于：锌粉的加入量为Zn/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝（3～5）/1；活化剂的加入量为（As或/和Sb）/（Cu2++Cd2++Co2++Ni2+）的摩尔比＝(2～5)/100。
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