TW202415624A - 由鋅冶煉過程的副產物氧化鐵製造高級精煉氧化鐵之方法 - Google Patents
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Abstract
本揭示內容揭示一種鋅冶煉過程之副產物氧化鐵的精煉方法，該方法包括烘烤該氧化鐵的烘烤過程、以清洗用水清洗經烘烤之氧化鐵餅的清洗過程、及過濾經清洗之氧化鐵餅的過濾過程，從而提供經精煉之氧化鐵。
Description
本揭示內容係關於一種由鋅冶煉過程之副產物氧化鐵移除雜質諸如鋅、鉀、鈉、和硫以製造具有60%或更高之鐵含量的高級氧化鐵的方法，且關於烘烤氧化鐵以初步移除硫成分的乾式冶金過程和移除在該氧化鐵中殘留之殘餘雜質的濕式冶金過程。然後，本揭示內容係關於一種回收所移除之鋅的選擇性鋅沉澱(Selective Zinc Precipitation, SZP)過程。
由鋅濃縮物萃取鋅之方法包括乾式冶金方法和濕式冶金方法。其中，該濕式冶金方法是指一種經由烘烤、瀝取、溶液純化、及最後之電解過程以由鋅濃縮物萃取高純度鋅的方法。
在濕式冶金中與鋅一同熔化的鐵係經由不同的過程被轉化成氧化鐵諸如黃鉀鐵礬、針鐵礦、或赤鐵礦，且然後該氧化鐵被分離並排放。
一般，鋅冶煉過程之副產物氧化鐵含有以其總重量計，40%至50%之鐵及其他(包括1%至5%之鋅、1%至5%之鉀、1%至5%之鈉、和5%至10%之硫)。該氧化鐵除了含有鐵、鋅、鉀、鈉、和硫，也可含有碳、鎂、鈣、鋁、及類似者。大量之具有低鐵含量的氧化鐵的產生使儲存和運輸成本有問題地提高。再者，此種氧化鐵的高雜質含量使得使用彼作為製鋼過程的原料變為困難且不容易發現使用彼之地方。
[技術問題]
本揭示內容之目的是要提供一種可移除氧化鐵之主要雜質鋅、鉀、鈉、及硫，及藉由混合乾式冶金和濕式冶金過程改良其鐵含量的方法，以解決如上述之相關技術的問題。
[技術解決方法]
根據本揭示內容之一具體例，提供一種鋅冶煉過程之副產物氧化鐵原料的精煉方法，該方法包括烘烤該氧化鐵原料的烘烤過程；以清洗用水清洗經烘烤之氧化鐵餅的清洗過程；及過濾經清洗之氧化鐵餅的第一過濾過程，從而提供經精煉之氧化鐵。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該烘烤過程具有從700℃至950℃之範圍的烘烤溫度。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該烘烤過程進一步包括乾燥該氧化鐵，且在乾燥該氧化鐵中，乾燥溫度的範圍係從90℃至110℃，且乾燥時間是2小時或更長。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該烘烤過程係在空氣環境下，使用旋轉窯進行。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該清洗過程於每一升的該清洗用水添加140g至160g之該經烘烤的氧化鐵餅以清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該經精煉的氧化鐵含有60wt%或更多的鐵、0.3wt%或更少的鋅、0.1wt%或更少的鉀、0.1wt%或更少的鈉、及0.5wt%或更少的硫。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該清洗過程使用壓熱器以該清洗用水清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該清洗過程使用攪拌器以該清洗用水清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該清洗用水在壓熱器內具有從130℃至150℃之範圍的溫度。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該清洗用水在攪拌器情況下具有從130℃至150℃之範圍的溫度。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其進一步包含從經第一過濾過程過濾之該清洗用水回收鋅的選擇性鋅沉澱過程，其中該選擇性鋅沉澱過程將鹽添加至該經過濾的清洗用水。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中該鹽是碳酸鈉。
本揭示內容之一具體例提供該方法，其中在該選擇性鋅沉澱過程中，該經過濾之清洗用水具有從50℃至70℃之範圍的溫度及從7至9之範圍的pH。
[有利效果]
利用根據本揭示內容之一具體例的氧化鐵的精煉方法，可能藉由從鋅冶煉過程之副產物氧化鐵移除雜質以製造具有60%或更高之鐵含量的高級氧化鐵。此時，鋅、鉀、鈉、及硫之移除率是90%或更高。
隨著雜質被減低，氧化鐵之重量可減低至起初重量的約60%，而有助於節省儲存和運輸成本。
再者，該經精煉之氧化鐵具有低級雜質，諸如0.3%或更少之鋅及0.5%或更少之硫，且因此，可用以作為製鋼原料，從而藉由經降低之工業廢棄物的產生而有助於資源回收和降低環境污染問題。
闡明本揭示內容之具體例以供說明本揭示內容之技術概念。根據本揭示內容之權利範圍不限於以下所呈現之具體例或限於該等具體例之詳細說明。
在此使用之表示語『包括』、『提供』、『具有』及類似者應被瞭解為與包括其他具體例之可能性相聯的開放性語詞，除非在包括該等表示語之短語或句子中以其他方式提及。
圖1是闡明一種根據本揭示內容之一具體例的精煉氧化鐵以製造高級氧化鐵且從經過濾之清洗用水回收鋅的過程之流程圖。將引用圖1描述根據本揭示內容之一具體例的氧化鐵的純化過程。
烘烤過程S100
烘烤過程S100是用於藉由熱分解氧化鐵以移除雜質，且可包括在高溫下烘烤該氧化鐵的步驟。該烘烤氧化鐵的步驟可在空氣環境下使用旋轉窯進行。在此時，烘烤該氧化鐵時的溫度可在700℃至950℃的範圍中。若該烘烤溫度低於700℃，將在以下說明之黃鉀鐵礬的分解反應可能不發生，且若該烘烤溫度高於950℃，則在氧和硫化鋅之反應中形成氧化鋅比硫酸鋅多，這將在以下說明。這在後續之濕式冶金過程中，使鋅難以移除。再者，該烘烤溫度特別可在700℃至800℃之範圍中，且更特別地在750℃至 800℃之範圍中。
在該烘烤過程中所烘烤之氧化鐵原料可包括黃鉀鐵礬諸如K-黃鉀鐵礬(KFe
3(SO
4)
2(OH)
6(s))或Na-黃鉀鐵礬(NaFe
3(SO
4)
2(OH)
6(s))。
該烘烤過程之主要反應係如下。
如在該式1-1中，可將K-黃鉀鐵礬分解成
KFe(SO
4)
2(s)、Fe
2O
3(s)和H
2O(g)。然後，如在該式2-1中，可再次將KFe(SO
4)
2(s)分解成K
2SO
4(s)、Fe
2O
3(s)、
SO
2(g)和O
2(g)。
如在該等式1-2中，可將Na-黃鉀鐵礬分解成
NaFe(SO
4)
2(s)、Fe
2O
3(s)和H
2O(g)。然後，如在該式2-2中，可再次將NaFe(SO
4)
2(s)分解成Na
2SO
4(s)、Fe
2O
3(s)、SO
2(g)和O
2(g)。
式1-1和1-2可為在450℃或更高溫度發生之反應。式2-1和2-2可為在680℃或更高溫度發生之反應。
該氧化鐵原料可含有鋅(Zn)作為雜質。該鋅作為雜質可例如呈硫化鋅(ZnS)形式被包含。在該烘烤過程S100中，硫化鋅可如在以下式3中與氧反應以形成硫酸鋅(ZnSO
4)。
在此時，與該硫化鋅反應之氧可從外部注入，或可為在黃鉀鐵礬之分解期間所生成之氧，尤其是在式2-1或在式2-2中所生成之氧。若該烘烤溫度是高的，硫化鋅可與氧反應以形成氧化鋅(ZnO)。例如，若該烘烤溫度高於400℃，硫化鋅在與氧反應的過程中可形成氧化鋅。若該烘烤溫度高於950℃，則形成更大量的氧化鋅。因為此種氧化鋅不被離子化，在清洗過程(其為後續之濕式冶金過程)中難以將彼移除。
該烘烤過程S100可包括蒸發在該氧化鐵中所含之水分的全部或一部分的乾燥步驟，以提供乾的氧化鐵。可使用旋轉窯進行該乾燥步驟，但不限於此。
進行該乾燥步驟時之溫度可為90℃或更高。因為進行該乾燥步驟時之溫度低於進行該氧化鐵烘烤步驟時之溫度，該乾燥步驟後可接著該氧化鐵烘烤步驟。在此時，因為該乾燥步驟和該氧化鐵烘烤步驟隨著提升在該旋轉窯中該氧化鐵之溫度而進行，該乾燥步驟和該氧化鐵烘烤步驟可以不被清楚地區別。
可在該氧化鐵烘烤步驟之前，分開地進行該乾燥步驟。在此時，進行該乾燥步驟時之溫度可為90℃或更高。若該乾燥溫度低於90℃，一般不可進行乾燥。再者，該乾燥溫度特別可在90℃至110℃之範圍中。該乾燥步驟的進行時間可為2小時或更長。再者，該乾燥步驟的進行時間特別可為2小時或更長及24小時或更短，且更特別地2小時或更長及4小時或更短。
已經進行該烘烤過程S100之經烘烤的氧化鐵餅可含有以其總重量計4wt%或更少之硫(S)。該經烘烤之氧化鐵餅可含有水溶性物質形式之雜質諸如鋅、鉀、鈉、及硫，且其中，該硫為氣體形式。例如，在該經烘烤之氧化鐵餅中所含之雜質可為硫酸鋅(ZnSO
4(s))、硫酸鉀(K
2SO
4(s))及/或硫酸鈉(Na
2SO
4(s))。在此時，硫之移除率可為60%或更多，且鈉之移除率可為10%或更多。
清洗過程S200
清洗過程S200是以清洗用水清洗該經烘烤之氧化鐵餅以移除雜質的過程。在該清洗過程S200中使用之清洗用水可為水。可在室溫下，使用水進行該清洗過程。特別地，使用攪拌器之清洗過程可在20℃至30℃之範圍的溫度下進行。再者，可以使用不同溫度之水以改良清洗效率。
該清洗過程S200可在大氣壓下進行。該清洗過程S200可進行1小時至3小時。
為有效地清洗該氧化鐵餅，該清洗過程可藉由在每一升的該清洗用水中添加140g至160g之該經烘烤的氧化鐵餅而進行。若在每一升的該清洗用水中添加少於140g之該經烘烤的氧化鐵餅，則可使用更大量之清洗用水且設備規模可增大。若在每一升的該清洗用水中添加多於160g之該經烘烤的氧化鐵餅，該清洗效率可降低。
在該清洗過程中所移除之雜質可為在該經烘烤的氧化鐵餅中所含之水溶性雜質。這些水溶性雜質可包括硫酸鋅(ZnSO
4(s))、硫酸鉀(K
2SO
4(s))及/或硫酸鈉(Na
2SO
4(s))。
為改良該雜質移除效率，可在提升該清洗過程S200中之溫度和壓力之後，使用壓熱器清洗該經烘烤之氧化鐵餅。使用壓熱器之該清洗過程可在2巴至3巴之壓力下進行且可進行1小時至3小時。在此時，若使用該壓熱器之該清洗過程的時間少於1小時，該雜質移除效率可降低，且若該清洗過程之時間超過3小時，則延長的處理時間對該雜質移除效率的影響可忽略，但可使成本提高。
在使用該壓熱器之該清洗過程中，該清洗用水之溫度可在130℃至150℃的範圍中。在此時，若該清洗用水之溫度低於130℃，則該雜質控制效率可降低。
透過使用該壓熱器之該清洗過程所得之氧化鐵與透過在室溫和大氣壓之清洗過程所得之氧化鐵相比，可展現更高之雜質移除率。
第一過濾過程S300
藉由使用過濾器以過濾該經清洗之氧化鐵餅可以獲得經精煉的氧化鐵。在該過濾過程之後所得之該經精煉之氧化鐵可含有3wt%或更少之鋅、0.8wt%或更少之鈉、3wt%或更少之鉀、及/或8wt%或更少之硫。因為移除雜質，該經精煉之氧化鐵可具有60wt%或更高之鐵含量。該經精煉之氧化鐵可為特別高級的氧化鐵，其含有0.3wt%或更少之鋅、0.1wt%或更少之鈉、0.1wt%或更少之鉀、及0.5wt%或更少之硫。
選擇性鋅沉澱過程S400
在使用該過濾器過濾該經清洗之氧化鐵餅且分離該經精煉之氧化鐵之後殘留的經過濾的清洗用水可含有鋅。選擇性鋅沉澱過程，亦即SZP過程，是從該經過濾之清洗用水回收鋅的過程。
在該選擇性鋅沉澱過程S400中，可將鹽添加至該經過濾之清洗用水。在此時，該鹽可為碳酸鈉(Na
2CO
3)。該選擇性鋅沉澱過程S400可藉由添加鹽而在7至9之範圍的pH下。在此時，若該pH少於7，該鋅回收率可降低，且若該pH超過9，則鋅以外的成分可被沉澱。
在該選擇性鋅沉澱過程S400中，該經過濾之清洗用水的溫度可在50℃至70℃之範圍中。在此時，若該經過濾之清洗用水的溫度低於50℃，則處理效率可降低。
在該經過濾之清洗用水中所含之鋅可如以下式4中，藉由與該鹽反應而被沉澱成固態。
由於該反應，在該經過濾的清洗用水中所含之鋅可透過第二過濾過程S500被沉澱成ZnCO
3(s)形式，且在濾液中之99%或更多的鋅可被回收。
從該過程，具有60%或更高之鐵含量的高級氧化鐵可藉由從氧化鐵移除雜質(其為鋅冶煉過程之副產物)而製造。在此時，鋅、鉀、鈉、及硫之移除率是90%或更多。
隨著該雜質被降低，該氧化鐵之重量被降至該起初重量的約60%。再者，該經精煉的氧化鐵具有低級雜質諸如0.3%或更少之鋅及0.5%或更少之硫。
[ 實例 ]將使用以下實例和比較用實例，更詳細地說明本揭示內容。然而，本揭示內容之技術範圍不僅限於以下實例。
烘烤過程S100
表1顯示在氧化鐵原料中除了水以外的主要成分，其為根據本揭示內容之一具體例的鋅冶煉副產物。
(1) 乾燥步驟
在100℃下乾燥氧化鐵原料24小時。此時，在該經乾燥的氧化鐵中的水含量是24%。
(2) 烘烤步驟
該經乾燥之氧化鐵係在700℃、750℃、800℃、850℃、及950℃下烘烤2小時。
依據每一烘烤溫度之該氧化鐵重量的減少係如下。
依據每一烘烤溫度之在該經烘烤之氧化鐵中所含之成分的重量%及雜質移除率係如下。
清洗過程S200及第一過濾過程S300
在每一升的水中添加150g之該經烘烤的氧化鐵餅，且然後，所添加之經烘烤的氧化鐵餅在室溫(25℃)及大氣壓(1巴)下被攪拌且清洗2小時。在清洗完成後，將該清洗用水放入過濾器且藉由過濾器過濾，以將該氧化鐵和該經過濾之液體分離。之後，該氧化鐵被乾燥，且對其進行殘餘重量測量和成分分析。為供比較，在相同實驗條件下試驗非經烘烤之氧化鐵。同時，在該經乾燥之氧化鐵中的水含量是30%。
依據每一烘烤溫度，由於清洗且過濾該經烘烤的氧化鐵餅，在該經精煉之氧化鐵中所含之成分的重量%和雜質移除率係如下。
從實驗結果發現：其中該氧化鐵在已經通過該烘烤過程之後被清洗的實例與其中該氧化鐵在無烘烤下被清洗的比較用實例相比，獲得更高之雜質移除率。再者，可以說：在750℃烘烤該氧化鐵之後清洗該氧化鐵的情況下(實例2)，雜質最好地被移除，因為包括鋅、鈉、鉀、和硫之四種雜質的移除率皆是90%或更多。
使用壓熱器之清洗過程
為要測定在該清洗過程中溫度的效應，使用壓熱器對在750℃下被烘烤之經烘烤的氧化鐵分別進行在60℃、90℃、及140℃(在2.5巴之壓力下)之清洗過程。在此時，藉由僅改變該水之溫度，同時相等地維持該攪拌時間(2小時)和氧化鐵之添加量(在每一升之水中添加150g之該經烘烤的氧化鐵餅)，進行該清洗。在清洗之後，該氧化鐵以如在該實驗中之相同方式被過濾，且對其進行重量測量和成分分析。在此時，在該氧化鐵中所含之成分的重量%和該雜質移除率係如下。
隨著在該清洗過程中清洗用水的溫度提高，該雜質移除效率稍微提高，但比較用實例2和3與實例2相比，在雜質移除率方面未顯示出大的差異。
然而，其中在2.5巴之壓力及140℃之溫度下使用壓熱器進行清洗的實例6與其中不使用壓熱器之實例2相比，獲得提高之雜質移除率。
選擇性鋅沉澱過程S400和第二過濾過程S500
進行選擇性鋅沉澱過程以回收在該經過濾之清洗用水中的鋅。首先，該經過濾之清洗用水的溫度提升至60℃，然後連續添加Na
2CO
3，以將該經過濾之清洗用水的pH維持於8。在將其攪拌3小時以充分混合所添加之Na
2CO
3之後，使用過濾器將其過濾。然後，在乾燥濾餅後，對其進行重量測量和成分分析。
該經過濾之清洗用水具有2,950 mg/l之鋅，且在已經通過該選擇性鋅沉澱過程之後，在濾液中的鋅被減至2.65 mg/l。亦即，該鋅被沉澱成ZnCO
3(s)形式，且在該經過濾之清洗用水中99%或更高之鋅可被回收。在此時，在每一升的該經過濾的清洗用水中生成6.5g之沉澱物。
雖然已經引用附圖說明本揭示內容之具體例，與本揭示內容相關之技術人員可了解：本揭示內容可用其他特定形式，在不改變本揭示內容之技術概念或實質特徵下被實施。
因此，上述具體例應在所有方面中被理解為說明性的而非限制性的。本揭示內容之範圍係藉由所附之申請專利範圍而非該詳細說明來指明，且由該等申請專利範圍的意義和範圍以及其等效觀念所衍生之所有改變和改良應被視為被包括在本揭示內容之範圍中。
S100:烘烤過程
S200:清洗過程
S300:第一過濾過程
S400:選擇性鋅沉澱過程
S500:第二過濾過程
[圖1]是闡明根據本揭示內容之一具體例之精煉氧化鐵以製造高級氧化鐵且從經過濾之清洗用水回收鋅的方法之流程圖。
Claims (13)
- 一種鋅冶煉過程之副產物氧化鐵原料的精煉方法，該方法包含： 烘烤氧化鐵原料的烘烤過程； 以清洗用水清洗經烘烤之氧化鐵餅的清洗過程；及 過濾經清洗之氧化鐵餅的第一過濾過程，從而提供經精煉之氧化鐵。
- 如請求項1之方法，其中該烘烤過程具有從700℃至950℃之範圍的烘烤溫度。
- 如請求項1之方法，其中該烘烤過程進一步包括乾燥該氧化鐵，及 其中在該乾燥該氧化鐵中，乾燥溫度的範圍係從90℃至110℃，且乾燥時間是2小時或更長。
- 如請求項1之方法，其中該烘烤過程係在空氣環境下，使用旋轉窯進行。
- 如請求項1之方法，其中該清洗過程於每一升的該清洗用水添加140g至160g之該經烘烤的氧化鐵餅以清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
- 如請求項1之方法，其中該經精煉的氧化鐵含有60wt%或更多的鐵、0.3wt%或更少的鋅、0.1wt%或更少的鉀、0.1wt%或更少的鈉、及0.5wt%或更少的硫。
- 如請求項1之方法，其中該清洗過程使用壓熱器以該清洗用水清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
- 如請求項1之方法，其中該清洗過程使用攪拌器以該清洗用水清洗該經烘烤的氧化鐵餅。
- 如請求項7之方法，其中該清洗用水具有從130℃至150℃之範圍的溫度。
- 如請求項8之方法，其中該清洗用水具有從20℃至30℃之範圍的溫度。
- 如請求項1之方法，其進一步包含從經第一過濾過程過濾之該清洗用水回收鋅的選擇性鋅沉澱過程， 其中該選擇性鋅沉澱過程將鹽添加至該經過濾的清洗用水。
- 如請求項11之方法，其中該鹽是碳酸鈉。
- 如請求項11之方法，其中在該選擇性鋅沉澱過程中，該經過濾之清洗用水具有從50℃至70℃之範圍的溫度及從7至9之範圍的pH。
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