劉 瑜，楊大錦，劉俊場，李永剛，廖元雙，彭秋燕，付維琴，牟興兵

（1．昆明有色冶金設計研究院，云南 昆明 650051；2．昆明冶金研究院，云南 昆明 650031）

我國是世界上最大的鋅生產(chǎn)和消費大國［1］，90%以上的鋅是采用濕法冶金工藝即焙燒—浸出—凈化—電積—熔鑄工藝生產(chǎn)的［2］，其中電積單元能耗最大，其次是硫酸鋅溶液凈化單元。

電解液組成及其中的雜質對電積能耗影響很大［3-4］。通過優(yōu)化電解液組成、電積參數(shù)等可以實現(xiàn)節(jié)能降耗，但降耗空間不大；用鋅粉凈化硫酸鋅溶液也可實現(xiàn)節(jié)能降耗，但在凈化除鎳、鈷過程中，鋅粉用量是理論量的100倍以上［5］，消耗很大。

試驗研究了在空化作用下用鋅粉還原去除鎳、鈷，以降低硫酸鋅溶液凈化單元的鋅消耗量。

1 空化作用下的凈化過程

在硫酸鋅溶液中加入鋅粉可以去除鎳和鈷，反應式為：

凈化過程中，溶液中的 Ni2＋和 Co2＋在鋅粉顆粒表面發(fā)生置換反應，置換出的金屬Ni和Co以固態(tài)形式覆蓋在鋅粉顆粒表面。鋅粉置換過程示意圖如圖1所示。

在大量鎳、鈷覆蓋到鋅粉顆粒表面后，溶液中的Ni2＋和Co2＋須通過擴散到達鋅粉表面后才能實現(xiàn)還原過程。還原形成的鎳、鈷金屬覆蓋層相對比較致密，導致Ni2＋和Co2＋擴散到鋅粉表面的速度比較慢，從而導致還原時間加長、鋅粉利用率降低。要減少鋅粉耗量必須使覆蓋在鋅粉顆粒表面上的鎳、鈷金屬脫離，使鋅粉顆粒表面裸露出來。

圖1 鋅粉置換過程示意圖

鋅粉還原鎳、鈷過程中，還原速度與速度常數(shù)和鎳、鈷離子濃度有關。對于鎳、鈷濃度一定的硫酸鋅溶液，還原速度則僅與速度常數(shù)有關，而速度常數(shù)與溫度有關，提高還原反應溫度有利于提高鋅粉還原鎳和鈷的速度。

空化由超聲波在超高速和機械作用下形成。在超聲波形成的空化中，液體內(nèi)形成空化氣泡并長大和崩滅，當空化氣泡崩滅時產(chǎn)生一個強壓力脈沖，產(chǎn)生高達5 000K的高溫、大于200MPa的壓力、真空和時速達400km／h的射流所形成的剪切力［6］。高溫有利于加快鋅粉還原凈化速度，強大的剪切力有利于剝離鋅粉表面沉淀的鎳、鈷金屬層，從而使鋅粉表面裸露。

2 空化作用下從硫化鋅溶液中除鎳、鈷

空化作用下從硫酸鋅溶液中除鎳、鈷是基于傳統(tǒng)的除鎳、鈷工藝并輔助以空化作用。試驗中均采用 Ni2＋＋Co2＋質量濃度在40mg／L以上的溶液，為生產(chǎn)過程中的浸出液。采用傳統(tǒng)方法除鎳、鈷，鋅粉消耗量在3～6g／L之間，對于Zn2＋質量濃度120g／L的溶液，僅除鎳、鈷的鋅粉消耗量即達37．5～75kg／t Zn。

所用鋅粉為電爐鋅粉，也為生產(chǎn)上使用的鋅粉，有效鋅質量分數(shù)約90%，其他如硫酸銅、銻氧粉等也為生產(chǎn)時使用的原料。

空化發(fā)生器為超聲波發(fā)生器，φ30mm×450 mm，頻率20～30kHz，功率1kW，凈化時的反應器有效容積28L。

2．1 空化作用下溫度對鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋質量濃度為123．1g／L，Ni2＋、Co2＋質量濃度分別為7．5mg／L 和56．25 mg／L，空化作用時間20min，鋅粉用量2．38g／L。溫度對鎳、鈷去除率的影響如圖2所示。

圖2 空化作用下溫度對鎳、鈷去除率的影響

從圖2看出：溫度對鎳去除率影響不大；對Co去除率影響較大，隨溫度升高鈷去除率升高，在75～80℃時達最高值。與無空化作用時相比，溫度降低了10～15℃，說明空化作用是明顯的。

2．2 空化作用時間對鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋質量濃度為122．7g／L，含 Ni2＋和 Co2＋質量濃度分別為12．5mg／L 和31．43mg／L，溫度75～80℃，空化作用時間對鎳、鈷去除率的影響如圖3所示?？梢钥闯觯烘嚾コ逝c空化作用時間關系不明顯，空化作用10 min，Ni2＋去除率＞97%，而空化作用在40min后Ni2＋去除率反而有所降低，此為還原的金屬Ni有部分反溶導致；Co去除率隨空化作用時間延長而提高，在30min時達到最大，在40min時出現(xiàn)明顯的下降。在適宜的鋅粉用量條件下，空化作用20～30min，鎳、鈷去除率均在97%以上。

圖3 空化作用時間對鎳、鈷去除率的影響

與無空化作用即傳統(tǒng)的Ni2＋和Co2＋脫除方法相比，脫除時間從60～180min下降到20～30 min，明顯縮短，設備效率大幅提高，保溫能耗大幅降低。

2．3 空化作用下鋅粉用量對鎳、鈷去除率的影響

硫酸鋅溶液中Zn2＋去除率質量濃度122．7 g／L，Ni2＋和Co2＋質量濃度分別為12．5mg／L和31．43mg／L，空化作用20min，溫度75～80℃，鋅粉用量對鎳、鈷去除率的影響如圖4所示。

圖4 空化作用下鋅粉用量對鎳和鈷除雜率影響

從圖3、4看出：隨鋅粉用量增加，Ni2＋去除率有微弱降低，Co2＋去除率有微弱增大?？梢姡诳栈饔孟?，加入過量的鋅粉并沒有明顯提高Ni2＋、Co2＋去除率，反而增大了鋅粉消耗量。

在鋅粉用量為 Ni2＋＋Co2＋質量30倍時，Ni2＋去除率為98%～99%，Co2＋去除率為96%～98%，對于 Ni2＋＋Co2＋含量相對較高的硫酸鋅溶液，凈化效果很好，基本滿足生產(chǎn)要求。

3 結論

在空化作用輔助下，用鋅粉還原凈化硫酸鋅溶液去除其中的 Ni2＋和Co2＋是有效的；適宜溫度為75～80℃，空化作用時間為20～30min，鋅粉用量為 Ni2＋＋Co2＋質量的30～33倍?？栈饔孟?，用鋅粉還原凈化硫酸鋅溶液，與傳統(tǒng)方法相比，溫度降低，時間縮短，鋅粉用量減少，能耗和加工成本大幅降低。

［1］王曄．2012年鋅市場回顧及2013年展望［J］．有色金屬工程，2013（1）：11-12．

［2］常成，刀海金，孫嘯飛，等．鋅電積電流效率影響因素的研究進展［J］．中國有色冶金，2008（4）：74-80．

［3］王彥軍，謝剛，楊大錦，等．降低電積鋅直流電耗的現(xiàn)狀分析［J］．濕法冶金，2005，24（4）：208-211．

［4］黃守義，張旭，包紅偉．從濕法煉鋅硫酸鹽溶液中去除鈷的試驗［J］．濕法冶金，2010，29（1）：37-39．

［5］馬進，陳利春，秦永宏．鋅粉置換除鈷的研究及運用［J］．有色冶煉，2002（1）：30-32．

［6］張嬋，鄭爽英．超聲空化效應及其應用［J］．水資源與水工程學報，2009（1）：136-138．