CN114438344B - 一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法 - Google Patents

一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于锌冶炼技术领域,具体涉及一种锌‑镁溶液中选择性沉镁的方法,向锌‑镁溶液中加入

Description

一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法
技术领域
本发明涉及湿法冶金领域,具体涉及一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法。
背景技术
在传统的湿法炼锌工艺过程中,镁在经过焙烧和浸出后,大部分以离子形态如常见的硫酸盐、硝酸盐等形态进入湿法炼锌工艺,并逐渐富集。镁-锌溶液中,镁会以二水合硫酸镁的形式结晶析出。导致湿法炼锌过程中管道堵塞和槽壁结垢等现象,还会影响电积过程的电流效率,使湿法炼锌的能耗増加。同时会与氟离子发生络合作用,使得溶液中的氟离子浓度大幅增加。
现在,国内外湿法炼锌过程中常用的除镁方法主要有沉锌除镁法、氟化物沉淀法、精矿酸洗法、冷却结晶法、溶剂萃取法以及机械手段等。
沉锌除镁法,是将石灰石或石灰和硫酸锌反应生成碱式硫酸锌沉淀,从溶液中过滤出来,碱式硫酸锌又可循环用于湿法炼锌流程中,滤液中无金属需要回收,故可直接进入废水处理环节,以达到水的平衡以及整个流程中杂质的控制。这方法比较成熟,但它消耗大量石灰(通常为理论量的120倍以上),产生大量废渣,并且废渣堆存会对环境造成很大的压力。
氟化物沉淀法是利用F-与Mg2+形成的氟化镁的溶解度较小,而氟化锌的溶解度较大。一般选择的沉淀剂为HF、ZnF2、NaF等氟化物,使用氟化物对电解液进行沉镁,镁的脱除率高,投资少,是目前工厂中电解液深度净化最普遍的方法。氢氟酸腐蚀性强,且属于剧毒的化学试剂,对设备耐腐蚀能力要求较高,对操作人员的防护措施要求极高。氟化锌作为沉淀剂,不会引入其他新的杂质而造成锌电解液的污染,但氟离子本身在电解过程中,对阴极板有很严重的损害,因没有完善后续工艺,导致此法还未投入到实际工业生产中。
精矿酸洗法是将锌精矿先和稀硫酸发生反应,使锌精矿中的镁部分被溶解脱除,减少了进入系统中的镁含量。精矿酸洗法从原料上减少杂质镁的量,但是不能完全使镁不进入系统,即不能从根本上解决镁的问题,并且精矿酸洗后,水份増加,给下一步工艺焙烧带来了很多的不便,使电耗等增大,生产成本増加。
冷却结晶法的机理为:温度下降,硫酸镁的溶解度减小,当锌电解液或浸出液中的硫酸镁较高时,降低某一段溶液的温度,硫酸镁就会形成沉淀析出。但是此方法得到的结晶体中含有碱式硫酸锌,锌的损耗较大。
溶剂萃取法的原理是有机萃取剂与溶液中的锌络合流入有机相,而杂质镁则不会被萃取,留在萃余液中,达到除镁的效果。但是很多萃取剂在萃取锌的同时也萃取了其他杂质离子,且萃取剂的残留问题也容易造成烧板等一系列问题,因此寻找一种高效且成本低的锌萃取剂成为溶剂萃取法的关键。
因目前在湿法炼锌流程中镁还没有有效的脱出方法,一般湿法炼锌厂均聘用专门的劳务人员使用一些机械手段定期对堵塞的管路进行处理,采用机械手段处理湿法炼锌过程中的硫酸镁结晶操作起来比较简单、流程短,但是不能彻底解决杂质镁带来的危害,需要固定周期去处理,在处理的过程中因操作不当或结晶物太牢而导致管道表面受损,使管路内壁更加凹凸不平,溶液流经凹凸不平的地方更容易形成结晶,堵塞管路,此时就要求投入更多地劳力和物力去解决镁造成的危害,进而使湿法炼锌的生产成本大大增大,据了解,湿法炼锌厂的各种输送管路需每月进行清理,而用于过滤的压滤机上的滤布则需每天进行清理。故研究一种高效、低成本的用于实际生产的除镁的方法迫在眉睫。
发明内容
鉴于上述现有技术的不足,本发明的目的在于提供一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,旨在选择性沉淀溶液中的镁,实现溶液中锌和镁的选择性分离。
一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,向锌-镁溶液中加入式1化合物进行预反应,得预反应液,随后将其和联合沉淀剂溶液分别形成液流,并将二者的液流混合进行沉镁反应;维持液流混合过程的pH在9.5~11,随后再进行固液分离,得到镁渣和锌液;
M1为Na+、K+或NH4 +;M2~M4独自为H、Na+、K+或NH4 +
所述的联合沉淀剂包括沉淀剂A和沉淀剂B;其中,沉淀剂A为水溶性的碳酸盐、碳酸氢盐中的至少一种;所述的沉淀剂B为水溶性氢氧化物。
本发明研究发现,预先采用式1进行预反应,进一步配合后续的联合沉淀剂、液流混合方式以及体系pH的联合控制,能够实现协同,能够意外地选择性沉淀其中的镁,从而实现溶液中的镁离子和锌离子的选择性分离。研究发现,本发明方法可以实现溶液中镁和锌的高选择性分离,改善锌的回收率。
本发明方法理论上可以应用于任意溶解有镁离子和锌离子的水溶液中的镁离子和锌离子的选择性分离。例如,锌-镁溶液为锌离子和镁离子的硫酸盐水溶液、硝酸盐水溶液、氯化盐水溶液中的至少一种;
本发明中,所述的锌-镁溶液中的镁离子和锌离子的浓度没有特别要求。考虑到处理效率以及经济价值最大化,所述的镁的浓度可以为10~60g/L;所述的锌的浓度可以为60~160g/L。
本发明中,式1的预反应以及后续的联合沉淀剂成分、液流混合方式以及pH联合控制是协同改善锌-镁中选择性沉镁的关键。
本发明中,所述的式1化合物中,M1~M4中,优选其中的两个为Na或K。
本发明中,所述的式1化合物的用量可根据体系中的锌的含量进行控制,例如,所述的式1化合物的加入量为锌-镁溶液中锌的摩尔量的0.8~3;优选为0.8~1.2倍。
本发明中,所述的预反应的温度没有特别要求,例如可以为15~90℃。
作为优选,预反应的时间为0.1~1h。
本发明中,在所述的式1的预反应下,进一步配合所述的联合沉淀剂、液流混合方法以及体系的pH的联合控制下,能够协同改善锌-镁中的沉镁选择性,并降低锌的损失。
本发明中,所述的沉淀剂A为钠、钾、铵的碳酸盐和/或碳酸氢盐;
所述的沉淀剂B为钠、钾的氢氧化物。
作为优选,联合沉淀剂中,所述的沉淀剂A和沉淀剂B的摩尔比为(0.2~1):1。所述的联合沉淀剂溶液中,沉淀剂A的浓度为0.2~1M。
本发明中,创新地采用液流混合接触沉淀反应思路,进一步配合联合浸出剂以及pH的控制,有助于有助于改善沉镁反应的选择性。
本发明中,可基于现有手段将预处理溶液以及联合浸出剂溶液形成液流,例如,可通过泵送方式形成液流。
本发明中,可以将预处理液的液流和联合浸出剂的液流混合,并将混合液收集在带有搅拌装置的容器中。
本发明中,通过所述的液流混合方式,配合pH的控制,能够有效改善处理沉镁选择性,改善镁和锌的分离选择性。
本发明中,所述的体系的pH是指混合过程或混合后的体系的pH,例如,可以是溶液体系的实时pH数据。本发明中所述的pH可通过二者液流的混合比例(流速进行控制)进行控制。本发明研究发现,控制体系的pH及其波动,有助于进一步改善沉镁选择性。
作为优选,沉镁反应阶段,整个过程的体系pH波动反应小于或等于1;优选小于或等于0.5。
作为优选,维持沉镁过程以及反应终点的体系pH为10~10.5或10.5~11。
本发明中,沉镁反应的温度没有特别要求,例如,可以为15~90℃。
本发明中,维持在所述的pH下进行反应,且优选的沉镁反应时间为1~5h。
本发明更具体的实施方案,包括以下步骤:
步骤一:预反应:
向待处理的镁-锌的硫酸盐水溶液中加入式1(M1~M4中,两个为Na,两个为H),搅拌至溶解,进行预反应;式1的加入量为锌-镁溶液中锌的摩尔量的0.8~3.0倍。
步骤二,选择性沉镁:
将步骤一得到的混合溶液和联合沉淀剂溶液分别泵送形成液流,并进行液流混合接触,控制添加过程中体系的pH维持在9.5~11,进行沉镁反应,所述的联合沉淀剂包括氢氧化钠,还包含碳酸钠、碳酸氢钠中的至少一种;
步骤三,过滤:将步骤二得到的混合液过滤,滤液即为脱镁后液;
步骤四,络合剂的回收:向步骤三所得的脱镁后液中滴加硫酸,至体系pH=1.0~2.0,回收得到锌的酸液,以及回收其中的式1四酸(M1~M4均为H)。。
有益效果
(1)本发明预先采用式1进行预反应,进一步配合联合沉淀剂、液流混合方式以及体系pH的联合控制,能够实现协同,能够意外地选择性沉淀其中的镁,从而实现溶液中的镁离子和锌离子的选择性分离。研究发现,本发明方法可以实现溶液中镁和锌的高选择性分离,改善锌的回收率。
(2)本发明设备投入小,流程简单,只需常规的反应釜和压滤机即可实现高效除镁。另外,不产生难以处理的废渣、废水,络合剂通过简单的步骤即可实现回收再利用。不仅如此,整个过程不引入F等有害杂质,不存在过滤困难的问题。
具体实施方案:
需要说明的是,所描述的实施例仅仅是本发明专利的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明专利中的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明专利保护的范围。
以下案例中,所述的式1均以二钠盐为例,Na的位置没有特别要求,例如,其结构式为:
所述的式1-A只是列举,并不是式1结构必要性的限定。
反应过程的温度均为室温,例如,20~40℃。
以下案例,所述的液流混合过程的pH可以理解为混合液的实时pH。
实施例1
一种湿法炼锌工艺中除镁的方法,其中,包括以下步骤:
步骤一:
向待除镁的硫酸锌溶液(Zn2+:60g/L,Mg2+:40g/L)中加入式1-A,搅拌至溶解;式1-A的加入量为溶液中锌的摩尔量的1.09倍;预反应0.5h;
步骤二
用蠕动泵将联合浸出剂溶液(碳酸钠和氢氧化钠水溶液,其中,碳酸钠和氢氧化钠的摩尔比为0.5:1;碳酸钠的浓度为0.5M)和步骤一的预反应液分别泵送成液流(液流流速例如为5~10mL/min),将二者的液流混合,且混合液收集在带有搅拌结构的容器中,调控溶液的泵送流速,使混合过程中的pH维持在10~10.5;预处理液泵送完成后,继续维持在该pH下反应1h。
步骤三
将步骤二得到的混合液过滤,滤液即为脱镁后液;
步骤四
向步骤三所得的脱镁后液中边搅拌边滴加300g/L的稀硫酸,调整溶液的pH=1.8±0.2,过滤,得到回收的式1-A(M1~M4均为H)和硫酸锌滤液。
用ICP分析溶液中元素浓度,通过计算得出镁的去除率高达99.95%,锌的回收率为99.82%。
实施例2
一种湿法炼锌工艺中除镁的方法,其中,包括以下步骤:
步骤一:
向待除镁的硫酸锌溶液(Zn2+:130g/L,Mg2+:25g/L)中加入式1-A,搅拌至溶解;式1-A的加入量为锌的摩尔量的0.8倍;预反应0.5h。
步骤二
用蠕动泵将联合浸出剂溶液(碳酸氢钠和氢氧化钠的水溶液,二者的摩尔比为0.2:1,碳酸氢钠的浓度为0.2M)和步骤一的预反应液分别泵送成液流(液流流速例如为5~10mL/min),将二者的液流混合,且混合液收集在带有搅拌结构的容器中,调控溶液的泵送流速,使混合过程中的pH维持在10.5~11.0;预处理液泵送完成后,继续维持在该pH下反应2h。
步骤三
将步骤二得到的混合液过滤,滤液即为脱镁后液;
步骤四
向步骤三所得的脱镁后液中边搅拌边滴加400g/L的稀硫酸,调整溶液的pH=1.7±0.2,过滤,得到回收的式1-A(M1~M4均为H)和硫酸锌滤液。
用ICP分析溶液中元素浓度,通过计算得出镁的去除率高达99.91%,锌的回收率高达98.88%。
实施例3
一种湿法炼锌工艺中除镁的方法,其中,包括以下步骤:
步骤一:
向待除镁的硫酸锌溶液(Zn2+:100g/L,Mg2+:60g/L)中加入式1-A,搅拌至溶解;式1-A的加入量为锌的摩尔量的1.2倍;预反应1h。
步骤二
用蠕动泵将联合浸出剂溶液(碳酸钠和氢氧化钠水溶液,其中,碳酸钠和氢氧化钠的摩尔比为1:1;碳酸钠的浓度为1M)和步骤一的预反应液分别泵送成液流(液流流速例如为5~10mL/min),将二者的液流混合,且混合液收集在带有搅拌结构的容器中,调控溶液的泵送流速,使混合过程中的pH维持在10~10.5;预处理液泵送完成后,继续维持在该pH下反应2h。
步骤三
将步骤二得到的混合液过滤,滤液即为脱镁后液;
步骤四
向步骤三所得的脱镁后液中边搅拌边滴加500g/L的稀硫酸,调整溶液的pH=1.5±0.2,过滤,得到回收的式1-A(M1~M4均为H)和硫酸锌滤液。
用ICP分析溶液中元素浓度,通过计算得出镁的去除率高达99.87%,锌的回收率高达99.89%。
实施例4
一种湿法炼锌工艺中除镁的方法,其中,包括以下步骤:
步骤一:
向待除镁的硫酸锌溶液(Zn2+:60g/L,Mg2+:60g/L)中加入式1-A,搅拌至溶解;式1-A的加入量为锌的摩尔量的1.2倍;预反应0.2h。
步骤二
用蠕动泵将联合浸出剂溶液(碳酸钠和氢氧化钠水溶液,其中,碳酸钠和氢氧化钠的摩尔比为0.8:1;碳酸钠的浓度为0.8M)和步骤一的预反应液分别泵送成液流(液流流速例如为5~10m/min),将二者的液流混合,且混合液收集在带有搅拌结构的容器中,调控溶液的泵送流速,使混合过程中的pH维持在9.0~9.5;预处理液泵送完成后,继续维持在该pH下反应1h。
步骤三
将步骤二得到的混合液过滤,滤液即为脱镁后液;
步骤四
向步骤三所得的脱镁后液中边搅拌边滴加500g/L的稀硫酸,调整溶液的pH=1.8±0.2,过滤,得到回收的式1-A(M1~M4均为H)和硫酸锌滤液。
用ICP分析溶液中元素浓度,通过计算得出镁的去除率高达94.53%,锌的回收率高达99.76%。
对比例1
和实施例1相比,区别仅在于,步骤二中,反应过程中控制体系的pH为8.5~9。其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为54.32%,锌的回收率为94.51%,不能实现镁锌的有效分离。
对比例2
和实施例1相比,区别仅在于,步骤二中,控制体系的pH为11.5~12。其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为44.86%,锌的回收率为86.92%,不能实现镁锌的有效分离。
对比例3
和实施例1相比,区别仅在于,步骤二中,未采用所述的液流混合工艺,而是将相同添加量的碳酸钠以及氢氧化钠溶液一次性直接和预处理液混合。其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为32.30%,锌的回收率仅为57.28%,不能实现镁锌的有效分离,且锌损失过大。
对比例4
和实施例1相比,区别仅在于,步骤一中,将相同摩尔量的(式2)代替式1加入。其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为35.61%,锌的回收率仅为36.30%,不能实现镁锌的有效分离,且锌损失过大。且步骤四中滴加硫酸无沉淀产生,即式2不能得到回收。
对比例5
和实施例1相比,区别仅在于,步骤二中,联合浸出剂的溶液中缺少碳酸钠,其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为15.61%,锌的回收率为66.75%,不能实现镁锌的有效分离。
对比例6
和实施例1相比,区别仅在于,步骤二中,联合浸出剂的溶液中缺少氢氧化钠,其他操作和参数同实施例1。
最终得到的镁去除率仅为21.35%,锌的回收率为96.75%,不能实现镁锌的有效分离。
原理分析:
本发明所述的方案,构建了Mg2+-Zn2+-SO4 2--OH--CO3 2--式1(也记载成Y)-H2O体系,反应及其反应平衡常数如下所示:
(1)锌离子相关反应
ZnCO3(s)=Zn2++CO3 2- -10.84
Zn(OH)2(s)=Zn2++2OH- -16.50
Zn2++OH-=Zn(OH)+ 4.40
Zn2++2OH-=Zn(OH)2(aq) 11.30
Zn2++3OH-=Zn(OH)3 - 14.17
Zn2++4OH-=Zn(OH)4 2- 17.66
Zn2++Y4-=ZnY2- 16.50
(2)镁离子相关反应
MgCO3(s)=Mg2++CO3 2- -7.46/4.67
Mg(OH)2(s)=Mg2++2OH- -9.2
Mg2++OH-=Mg(OH)+ 2.58
Mg2++Y4-=MgY2- 8.70
(3)碳酸根的水解反应
CO3 2-+H+=HCO3 - 10.33
HCO3 -+H+=H2CO3 6.35
(4)式1的电离反应
Y2-=Y3-+H+ -6.16
Y3-=Y4-+H+ -10.26
溶液中Zn2+和Mg2+与OH-以及式1的总浓度分别表示为[Zn]T,[Mg]T,[OH]T和[Y]T,根据质量守恒和同时平衡原理,可以得到如下各式:
[Zn]T=[Zn2+](1+10pH-9.6+102pH-16.7+103pH-27.83+104pH-38.34+1016.5[Y4-])
[Mg]T=[Mg2+](1+10pH-11.42+108.7[Y4-])
[CO3]T=[CO3 2-](1+1010.33-pH+1016.68-2pH)
[Y]T=[Y4-](1016.42-2pH+1010.26-pH+1+1016.5[Zn2+]+108.7[Mg2+])
[OH]T=10pH-14(1+[Zn2+](104.4+10pH-2.7+102pH-13.83+103pH-24.34)+[Mg2+]102.58)
可见,通过所述的反应体系,控制在本发明所要求的联合条件下,可以获得优异的锌-镁溶液中的选择性沉镁效果,能够改善溶液中锌离子和镁离子的分离选择性,改善镁的沉淀率,并降低锌的伴随沉淀。

Claims (11)

1.一种锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,向锌-镁溶液中加入式1化合物进行预反应,得预反应液,随后将其和联合沉淀剂溶液分别形成液流,并将二者的液流混合进行沉镁反应;维持液流混合过程的pH在9.5~11,随后再进行固液分离,得到镁渣和锌液;
式1
M1为Na+、K+或NH4 +;M2~M4独自为H、Na+、K+或NH4 +
所述的联合沉淀剂包括沉淀剂A和沉淀剂B;其中,沉淀剂A为水溶性的碳酸盐、碳酸氢盐中的至少一种;所述的沉淀剂B为水溶性氢氧化物;
所述的式1化合物的加入量为锌-镁溶液中锌的摩尔量的0.8~3倍;
联合沉淀剂中,所述的沉淀剂A和沉淀剂B的摩尔比为(0.2~1):1;
所述的联合沉淀剂溶液中,沉淀剂A的浓度为0.2~1M。
2.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,所述的锌-镁溶液为锌离子和镁离子的硫酸盐水溶液、硝酸盐水溶液、氯化盐水溶液中的至少一种。
3.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,所述的锌-镁溶液中,镁的浓度为10~60g/L;所述的锌的浓度为60~160g/L。
4.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,所述的式1化合物的加入量为锌-镁溶液中锌的摩尔量的0.8~1.2倍。
5.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,预反应的时间为0.1~1h。
6.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,所述的沉淀剂A为钠、钾、铵的碳酸盐和/或碳酸氢盐;
所述的沉淀剂B为钠、钾的氢氧化物。
7.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,沉镁反应阶段,整个过程的体系pH波动反应小于或等于1。
8.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,沉镁反应阶段,整个过程的体系pH波动反应小于或等于0.5。
9.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,维持沉镁过程以及反应终点的体系pH为10~10.5或10.5~11。
10.如权利要求1所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,沉镁反应时间为1~5h。
11.如权利要求1~10任一项所述的锌-镁溶液中选择性沉镁的方法,其特征在于,将锌液进行酸化,随后固液分离,得到锌溶液以及式1的四酸沉淀。
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