CN102826583B - 一种利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其具体步骤包括浸出、净化、复分解反应、洗涤粉碎等步骤，通过这些步骤，通过氨-硫酸铵法选择性浸出锌，并结合过硫酸铵除铁、砷，硫化法和锌粉置换法除去镍、铜、铅、镉等重金属元素，复分解反应得到nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，经干燥、粉碎，得到纳米立德粉产品，可以将酸浸渣中的锌进行有效回收利用。本发明以氨浸法作为酸浸渣有效处理的技术手段，所得立德粉产品质量好，生产所需要的硫酸根由酸浸渣自身提供，对酸浸渣实现了资源化利用，化废为宝，生产成本低、操作简单。

Description

一种利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法

技术领域

本发明涉及无机颜料立德粉的生产工艺，具体涉及一种利用电解锌酸浸渣生产纳米级立德粉的方法。 

背景技术

无机颜料立德粉也称锌钡白，是硫化锌与硫酸钡的混合晶体，具有许多独特和优良的性能，立德粉产品形成了系列产品，如高ZnS型、表观处理型、水分散型、耐晒型、彩色型等，在工农业生产和日常生活中发挥着重要作用。主要用于涂料 、油漆、热塑性塑料、热固性塑料、纸张等，通过表面处理或TiO₂包覆可以代替部分金红石。

目前立德粉主要在中国生产，国内立德粉的生产绝大部分还是使用传统法，主要原料是次氧化锌、硫酸和硫化钡（重晶石和煤经高温还原制得），使用原料一般含锌45%～70%。传统法生产立德粉流程是含锌45%以上锌焙砂为原料用硫酸浸出，得到硫酸锌粗液，然后用高锰酸钾氧化除铁等，再用锌粉置换重金属，过滤得到硫酸锌精制液，再与硫化钡进行复分解反应、压滤、煅烧、漂洗、干燥、粉碎得到含硫化锌30%以上不同类型的立德粉系列产品。整个过程在酸性(PH＜7）环境中进行，消耗大量的硫酸，硫酸具有强烈的腐蚀性，对生产设备要求高，最后排出的渣是酸性渣，给环境带来新的污染，而且对原料要求高、生产成本高，所得到的产品质量差。

随着科技的发展，各种颜料应运而生，无机颜料正面临着严重的挑战，纳米材料是20世纪末发展起来的具有介观维尺度的一类新型材料，目前正向着低维与复合方向发展。近年来纳米立德粉已投入工业生产，硫酸锌溶液制得与传统法相同，合成时在有机相（如苯等）中进行 ，生产成本高，废水难以循环利用，生产过程有机溶剂以及终浸渣容易造成对环境的污染，其发展受到严重的限制。

另外，随着锌化合物和立德粉的需求越来越大，我国锌资源的不断开采，矿产资源日趋贫、细、杂，综合利用和环保要求不断提高，人们已开始研究低锌原料的回收利用技术。所谓的低锌原料主要为低品位氧化锌矿，但除了低品位氧化锌矿中含有锌之外，酸浸渣中也含有锌。

目前国内湿法炼锌主要采用焙烧-浸出-电积的生产工艺， 排放的酸浸渣中锌质量分数一般8~15%，有的高达20%，硫的质量分数6-12%，其中硫酸根的质量分数为15-30%，主要以CaSO₄形式存在（在此氨性环境下多段浸取硫酸根浸出率可达70%）。酸浸渣中锌主要以ZnFe₂O₄形式存在，为了回收这些锌，处理方法目前有火法和湿法两种，火法为回转窑挥发法（威尔兹法）和烟化炉挥发法。湿法有热酸浸出或高温加压浸出。火法处理工艺流程长，设备维修量大，投资高，工作环境较差，需要消耗大量的燃煤或冶金焦煤，效益低，环境污染大。因此通常用热酸浸出或高压浸出，这些方法仍然存在缺点是：①消耗大量的酸，浸出率低，由于含有大量的硫酸钙，硫酸钙等超细微粒对氧化锌颗粒起膜隔离作用，致使电解锌企业在酸环境浸出困难，二次弱酸浸出由于回收率过低，实际意义不大。②如果用强酸浸出，虽然ZnFe₂O₄得到破坏，浸取率有所提高，但铁浸出率也高（达60%）除铁的压力大，需消耗较多的试剂，③高温高压设备腐蚀严重，设备复杂投资较大；④运行成本高，经济效益差。⑤最后排出的渣是酸浸渣，给环境带来新的污染，只好采取固化填埋，不但污染环境，而且也浪费资源。 

因此酸浸渣最为理想的处理方法是进行锌的选择性浸出，使锌进入浸出溶液中，锌回收利用制得有价值的含锌产品如立德粉产品等。 

综上所述，对于电解锌酸浸渣的处理，如何克服传统的火法和湿法的缺点，在低锌含量的物料中有效浸出其中的锌，并得到纳米级立德粉，成为本行业亟待解决而未能解决的技术难题。 

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，设计一种利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，将酸浸渣中的锌进行回收利用，在氨性环境下，生产出硫化锌、硫酸钡含量高，质量好、粒径为纳米级的立德粉产品。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下步骤：

1）浸出：电解锌酸浸渣用氨水浓度为5.5～7.0mol/L、硫酸铵摩尔浓度为0～1mol/L（根据产品类型调节硫酸根浓度）的氨-硫酸铵溶液进行浸出，在温度为20～50℃下，浸出3h~9h,所得终浸液用于下一工序；

浸出反应方程式为：

ZnO +n NH₃·H₂O→［Zn NH₃)n］²⁺+2OH^-

Zn(OH)₂+ n NH₃   →［Zn NH₃)n］²⁺+2OH^-

Zn +n NH₃+ 2H₂O→［Zn NH₃n］²⁺+H₂+2OH^- （置换渣中未反应完全的锌粉）

ZnSO₄  + n NH₃  →［Zn(NH₃)n］²⁺+SO₄ ^2-

ZnFe₂O₄ +n NH₃+4H₂O→［Zn(NH₃)n］²⁺+2Fe(OH)₃ ↓+2OH^-

Zn₂SiO₄+2n NH₃ +2H₂O → 2［Zn(NH₃)n］（OH ）₂+  SiO₂↓

CaSO₄ + 2 NH₃·H₂O  →  （NH₄）₂SO₄+ Ca(OH)₂↓

CaSO₄ + 2OH^-  →   SO₄ ^2-  +  Ca(OH)₂↓

其中 n=1～4

2）净化：向终浸液中加入过硫酸铵进行一次性氧化除铁，并加入活性炭吸附砷铁共沉淀达到除砷目的，分离前加入聚丙烯酰胺凝聚剂过滤分离，向一次氧化除杂后的溶液中加入硫化碱进行硫化除杂，分离得到的硫化后的滤液用锌粉进行置换，除去剩余的杂质，得到硫酸锌氨络合液，用于下一工序；

反应方程式为：

S₂O₈ ^2-+ Mn²⁺+ 2 NH₃·H₂O + H₂O→MnO(OH)₂↓+2NH₄ ⁺+2SO₄ ^2-+ 2H⁺

S₂O₈ ^2-+2Fe²⁺ +6 NH₃·H₂O →2 SO₄ ^2-+ 2Fe(OH)₃↓+6NH₄ ⁺

As₂O₃ +3H₂O  → 2H₃AsO₃

2H₃AsO₃ + 8Fe(OH)₃ → (Fe₂O₃)₄As₂O₃·5H₂O↓+10H₂O

AsO₄ ^3-  +  Fe^3- →  FeAsO₄↓ 

M²⁺ + S^2-→  MS ↓   

 M代表Cu²⁺、Pb²⁺ 、Cd²⁺ 、Ni²⁺、 Hg²⁺等离子

As³⁺ + S^2- → As₂S₃↓ 

3）复分解反应：将硫化物溶解于蒸馏水中得到复分解反应澄清透明液，并加入非离子表面活性剂搅拌均匀，然后缓慢将其加入硫酸锌氨络合液中发生复分解反应，得到立德粉乳浊液，过滤分离，分离后的氨液经调氨后返回浸取，分离的nZnS-BaSO₄结晶体滤饼进入下一工序；

反应方程式为：

［Zn(NH₃)n］SO₄ +BaS→ZnS ↓+ BaSO₄ ↓+  nNH₃

［Zn(NH₃)n］(OH )₂+ H₂S → ZnS ↓+  2H₂O +  nNH₃

4）洗涤粉碎：用蒸馏水或者乙醇洗涤nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，洗涤之后过滤分离的nZnS-BaSO₄结晶体滤饼进行干燥粉碎，得到纳米立德粉产品。

所述浸出步骤中的电解锌酸浸渣中锌质量分数为5%~35%。在净化步骤中，终浸液中加入过硫酸铵一次氧化后，过滤分离前加入聚丙烯酰胺凝聚剂。用于絮凝产生砷、铁共沉淀，去除有害元素。

优选方案有：在浸出步骤中，每立方米的氨水-硫酸铵溶液中添加0.05kg～0.1kg的十二烷基苯磺酸钠，十二烷基苯磺酸钠降低溶液的表面能。

在浸出步骤中，每立方米的氨水-硫酸铵溶液中添加0.3～0.5kg氟硅酸钠。目的在于使氨法浸出反应更容易、更彻底，加入适量的氟硅酸纳能破除硫酸钙在氨性溶液的溶解转化过程中生成的氢氧化钙等一类超细微粒对含锌颗粒的包裹，实现超细微粒分层剥离上浮，实现浸溶。

在浸出步骤中，每立方米的氨水-硫酸铵溶液中添加0.5～1kg的二氰二胺，通过添加二氰二胺，减少工艺过程中氨的挥发，改善工作环境，减少氨的损耗浪费。

净化步骤中加入的硫化碱包括为硫化钠、硫化铵或硫化氢其中任何一种或混合物。硫化除去Cu²⁺、Pb²⁺ 、Cd²⁺ 、Ni²⁺、 Hg²⁺等重金属离子。

所述复分解反应步骤中的硫化物是硫化钡、硫化钠、硫化铵或硫化氢。非离子表面活性剂为OP-10，为壬基酚与环氧乙烷的缩合物，加入量为每立方米的复分解反应液中添加0.15～0.2kg，反应温度10～40℃，搅拌速度为10～15m/s，化合时间0.5～1h。非离子表面活性剂的加入有利用nZnS-BaSO4微细结晶成核，可有效抑制晶核的增长。 

作为优选：非离子表面活性剂为OP-10，为壬基酚与环氧乙烷的缩合物，加入量为每立方米的复分解反应液中添加0.15～0.2kg，反应温度10～40℃，搅拌速度为10～15m/s，化合时间0.5～1h。

进一步的：还加有SDS，与OP-10形成混合表面活性剂。

优选的技术方案还有，向复分解反应步骤的立德粉乳浊液中加入H₂O_2，所加入H₂O₂的质量分数为10～33%，使立德粉乳浊液脱硫（主要为硫氢酸根离子或单质硫），缓慢加入H₂O₂直至立德粉乳浊液呈无色透明状。所得到的硫酸根离子可以回收利用，再次用于本生产工艺。

化学反应方程式为：4H₂O₂ +  HS^- +  OH^- →  SO₄ ^2-  +   5H₂O

                  3H₂O₂ +  S+  2OH^-   →  SO₄ ^2-  +  4H₂O

本发明的优点和有益效果在于：

第一，氨浸法作为酸浸渣有效处理的技术手段，在弱碱性（PH=8.5～10）氨性环境下制取纳米立德粉，在碱性环境下，一些金属杂质比如Ca、Mg、Fe、Al的氢氧化物溶解度低，在氨-硫酸铵选择性浸出中进入终浸液中的杂质减少，从而保证产品的质量；传统酸法制备立德粉因为在锌焙砂、硫化碱的焙烧和还原过程中或多或少会产生单质硫磺和亚硫酸盐，制得的立德粉白度差颜色偏黄，而本专利复分解反应在氨性溶液（碱性）中进行，得到的最终产物是硫酸根，通过H₂O₂加入脱硫快速、彻底，不必经高温煅烧就能保证产品的白度;对设备要求比硫酸浸出要低，普通钢浸出槽即可完成浸出；解决了酸浸渣存在的环境污染问题，特别是有效解决了酸浸渣中锌、铜、铅、镉、砷等重金属的环境污染及酸根离子对堆存环境的影响。实现酸浸渣中高价值金属锌的回收利用，实现土壤的酸性改良并具有低成本、节能、环保的综合优势。

第二，本发明提供一条生产成本低、高效、节能、产品质量稳定年生产能力达数十万吨的大型工业化生产工艺。通过氨法选择性浸出锌，并结合过硫酸铵除铁、硫化法和锌粉置换法除去镍、铜、铅、镉、砷等重金属元素，复分解反应得到nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，不用高温煅烧而直接干燥、粉碎，得到纳米立德粉产品。所得产品质量好，工业可操作性强。

第三，产品中硫化锌与硫酸钡的组成成分可控，可根据市场进行调节产品的种类。

第四，由于本发明生产所用需要的硫酸根由酸浸渣本身提供，酸浸渣内部含有SO₄ ^2-的质量分数为15%以上 ，利用酸浸渣作立德粉的锌和硫酸根原料制备纳米立德粉产品，既对酸浸渣实现了资源化利用，化废为宝，又对酸浸渣酸性土壤进行治理和改良，净化了环境。生产成本低、操作简单。复分解反应在低密度的氨性体系中进行（复分解反应物用回收氨水溶解），形成的晶核更小。且无毒安全。合成分离后的氨液返回浸取，整个生产过程无废水，生产的废渣达到国家一般固体废弃物排放标准进行外排，符合国家产业政策，为环保“绿色”型工艺。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明的具体实施方式作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

实施例1

1.电解锌酸浸渣的浸出：制取1500ml氨水-硫酸铵溶液作为氨浸液，其中氨水浓度为5.5mol/L、硫酸铵摩尔浓度为0.45mol/L，按每立方米氨浸液添加 0.05kg的十二烷基苯磺酸钠、0.5kg氟硅酸钠、0.5kg的二氰二胺。取500克酸浸渣（其组成成分，按质量比计算，含锌11.86%、铜0.97%、硫酸钙28%、镉0.007%、砷0.02%，铅3.74%），加入到上述氨-硫酸铵浸液中进行三段浸取，各段浸取时间均为3小时，固液分离后，得到1450ml终浸液（其余液体渣中带走），锌浸出率 90.02%，所得终浸液含锌81.5g/L ；含SO₄ ^2- 80.6 g/L。

2.立德粉的制备：取上述终浸液1000ml于2000ml烧杯中，加热到98℃，再加入4g过硫酸铵用磁力搅拌器搅拌0.5h，一次氧化后溶液中，加入聚丙烯酰胺溶液，聚丙烯酰胺溶液体积为溶液体积的0.02‰，1h后过滤，所得滤液经硫化除杂、锌粉置换后，得到硫酸锌氨精制络合液。

取142g硫化钡（不含水）和31.75g硫化钠（不含水）混合溶于溶于蒸馏水中得到复分解反应液，向此溶液中加入非离子表面活性剂OP-10（为壬基酚与环氧乙烷的缩合物） 0.18g，反应温度25℃，搅拌速度为13m/s，充分搅拌30min混匀,然后慢慢加入到1000ml硫酸锌氨精制络合液中，继续搅拌30min后加入质量分数为10%H₂O₂的脱硫漂白，漂白后过滤分离得nZnS-BaSO₄结晶体滤饼。

用乙醇洗涤nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，洗涤后过滤，滤饼在干燥箱105℃干燥1h后粉碎,用原子吸收检测锌、钡产率，以锌计达到97.6%，以钡计达到99%，按国标法检测：产品质量分数以硫化锌和硫酸钡总和达到99.4%，ZnS质量分数占38.2%。硫化钡粒径比硫化锌粒径大，分别为84nm和32nm，着色力、吸油值等各项指标超过国标GB/T1707-1995 B311型产品。 

实施例2

1.电解锌酸浸渣的浸出：制取1500ml氨水-硫酸铵溶液作为氨浸液，其中氨水浓度为7.0mol/L、硫酸铵摩尔浓度为0.3mol/L,按每立方米氨浸液添加 0.1kg的十二烷基苯磺酸钠、0.3kg氟硅酸钠、1kg的二氰二胺。取500克酸浸渣（其组成成分，按质量比计算，含锌8%、铜1.14%、硫酸钙29%、镉0.0086%、砷0.03%，铅1.65%），加入到上述氨-硫酸铵浸液中进行三段浸取，各段浸取时间均为2小时，固液分离后，得到1450ml终浸液（其余液体渣中带走），锌浸出率 90.97%；终浸液含锌59.8g/L ；含SO₄ ^2- 63.62g/L。

2.立德粉的制备：取上述终浸液1000ml于2000ml烧杯中，加热到98℃，再加入4g过硫酸铵用磁力搅拌器搅拌0.5h，一次氧化后溶液中，加入聚丙烯酰胺溶液，聚丙烯酰胺溶液体积为溶液体积的0.02‰，1h后过滤，所得滤液经硫化除杂、锌粉置换后，得到硫酸锌氨精制络合液。

取112.3g硫化钡（不含水）和19.7g硫化钠（不含水）混合溶于蒸馏水中得到复分解反应液，向此溶液中加入非离子表面活性剂OP-10（为壬基酚与环氧乙烷的缩合物） ，0.15g，反应温度10℃，搅拌速度为10m/s，充分搅拌60min混匀,然后慢慢加入到1000ml硫酸锌氨精制络合液中，继续搅拌30min后加入质量分数为20%H₂O₂的脱硫漂白，漂白后过滤分离得nZnS-BaSO₄结晶体滤饼。

用乙醇洗涤nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，洗涤后过滤，滤饼在干燥箱105℃干燥1h后粉碎,用原子吸收检测锌、钡产率，以锌计达到98.2%，以钡计达到99.2%，按国标法检测：产品质量分数以硫化锌和硫酸钡总和达到99.5%，ZnS质量分数占36.56%。硫化钡粒径比硫化锌粒径大，分别为89nm和41nm，着色力、吸油值等各项指标超过国标GB/T1707-1995 B311型产品。

实施例3

1.电解锌酸浸渣的浸出：制取1500ml氨水-硫酸铵溶液作为氨浸液，其中氨水浓度为6.0mol/L、硫酸铵摩尔浓度为0.9mol/L,按每立方米氨浸液添加 0.075kg的十二烷基苯磺酸钠、0.45kg氟硅酸钠、0.75kg的二氰二胺。取500克酸浸渣（其组成成分，按质量比计算，含锌6.1%、铜1.37%、硫酸钙24%、镉0.0043%、砷0.025%，铅2.84%），加入到上述氨-硫酸铵浸液中进行三段浸取，各段浸取时间均为2小时，固液分离后，得到1450ml终浸液（其余液体渣中带走），锌浸出率90.02%；终液含锌 65.6g/L ；含 SO₄ ^2- 69.64g/L；

2.立德粉的制备：取上述终浸液1000ml于2000ml烧杯中，加热到98℃，再加入4g过硫酸铵用磁力搅拌器搅拌0.5h，一次氧化后溶液中，加入聚丙烯酰胺溶液，聚丙烯酰胺溶液体积为溶液体积的0.02‰，1h后过滤，所得滤液经硫化除杂、锌粉置换后，得到硫酸锌氨精制络合液。

122.9g硫化钡（不含水）和21.7g硫化钠（不含水）混合溶于蒸馏水中得到复分解反应液，向此溶液中加入非离子表面活性剂OP-10（为壬基酚与环氧乙烷的缩合物）0.2g，反应温度40℃，搅拌速度为15m/s，充分搅拌40min混匀,然后慢慢加入到1000ml硫酸锌氨精制络合液中

，继续搅拌30min后加入质量分数为30%H₂O₂的脱硫漂白，漂白后过滤分离得nZnS-BaSO₄结晶体滤饼。

用乙醇洗涤nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，洗涤后过滤，滤饼在干燥箱105℃干燥1h后粉碎,用原子吸收检测锌、钡产率，以锌计达到98.4%，以钡计达到99%，按国标法检测：产品质量分数以硫化锌和硫酸钡总和达到99.22%，ZnS质量分数占36.6%。硫化钡粒径比硫化锌粒径大,分别为77nm和38nm，着色力、吸油值等各项指标超过国标GB/T1707-1995 B311型产品。

Claims (8)

1.一种利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1）浸出：电解锌酸浸渣用氨水浓度为5.5～7.0mol/L、硫酸铵摩尔浓度为0～1mol/L的氨-硫酸铵溶液进行浸出，在温度为20～50℃下，浸出3h～9h,所得终浸液用于下一工序；

2）净化：向终浸液中加入过硫酸铵进行一次性氧化除铁，并加入活性炭吸附砷铁共沉淀，分离前加入聚丙烯酰胺凝聚剂过滤分离，向一次氧化除杂后的溶液中加入硫化碱进行硫化除杂，分离得到的硫化后的滤液用锌粉进行置换，除去剩余的杂质，得到硫酸锌氨络合精制液，用于下一工序；

3）复分解反应：将硫化钡溶解于蒸馏水中得到复分解反应澄清透明液，并加入非离子表面活性剂搅拌均匀，然后缓慢将其加入硫酸锌氨络合液中发生复分解反应，得到立德粉乳浊液，过滤分离，分离后的氨液经调氨达标后返回浸取，分离的nZnS-BaSO₄结晶体滤饼进入下一工序； 

4）洗涤粉碎：用蒸馏水或者乙醇洗涤nZnS-BaSO₄结晶体滤饼，洗涤之后过滤分离的nZnS-BaSO₄结晶体滤饼进行干燥、粉碎，得到纳米立德粉产品。

2.如权利要求1所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，在浸出步骤中，每立方米的氨-硫酸铵溶液中添加0.05kg～0.1kg的十二烷基苯磺酸钠。

3.如权利要求1所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，在浸出步骤中，每立方米的氨-硫酸铵溶液中添加0.3～0.5kg氟硅酸钠。

4.如权利要求1所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，在浸出步骤中，每立方米的氨-硫酸铵溶液中添加0.5～1kg的二氰二胺。

5.如权利要求1所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，净化步骤中加入的硫化碱包括为硫化钠、硫化铵或硫化氢气体其中任何一种或混合物。

6.如权利要求5所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，非离子表面活性剂为OP-10，为壬基酚与环氧乙烷的缩合物，加入量为每立方米的复分解反应液中添加0.15～0.2kg，反应温度10～40℃，搅拌速度为10～15m/s，化合时间0.5～1h。

7.如权利要求6所述的利用低品位氧化锌矿配废石膏生产纳米立德粉的方法，其特征在于：还加有SDS，与OP-10形成混合表面活性剂。

8.如权利要求1至7任一项所述的利用电解锌酸浸渣生产纳米立德粉的方法，其特征在于，向复分解反应步骤的立德粉乳浊液中加入H₂O₂。