姚金環(huán)，丘雪萍，陳 欽，張 會，李延偉

(1.桂林理工大學 廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；2.中南大學 化學化工學院，湖南 長沙 410083)

超聲波輔助浸出鐵礬渣中銦、鋅試驗研究

姚金環(huán)1,2，丘雪萍1，陳 欽1，張 會1，李延偉1

(1.桂林理工大學 廣西有色金屬隱伏礦床勘查及材料開發(fā)協(xié)同創(chuàng)新中心，廣西 桂林 541004；2.中南大學 化學化工學院，湖南 長沙 410083)

研究了將超聲波引入到鐵礬渣浸出過程中強化銦、鋅浸出，對比了直接硫酸浸出和超聲波輔助硫酸浸出銦、鋅效果，考察了超聲波功率、浸出時間、反應溫度、硫酸濃度、液固體積質(zhì)量比和機械攪拌速度對銦、鋅浸出率的影響，并對2種方法的浸出渣進行XRD和SEM分析。結(jié)果表明：在其他條件相同情況下，酸浸過程中引入超聲波可以加快鐵礬渣的溶解，提高銦、鋅浸出率；反應溫度、硫酸濃度、超聲波功率對銦、鋅浸出率影響較大，浸出時間對銦浸出率影響較小而對鋅浸出率影響較大，液固體積質(zhì)量比和機械攪拌速度對銦、鋅浸出率影響不大。該方法為鐵礬渣中銦、鋅的高效提取提供了一個可供選擇的新方法。

超聲波；鐵礬渣；浸出；銦；鋅

1986年第1屆國際聲化學學術討論會在英國Warwick大學召開以后，隨即誕生了一門新的交叉學科——聲化學(sonochemistry)[1]。超聲波以能量源形式應用在化工領域，其在液相中的空化作用及在其他物相中的種種效應，使其在冶金工程、生物技術、物理學、化工等領域的研究及新技術開發(fā)中得到廣泛應用[2]。應用在浸出過程中的主要是功率超聲[3]，功率超聲可以強化浸出過程，使溶液中溶解的氣體產(chǎn)生空化現(xiàn)象，瞬間產(chǎn)生高溫和高壓，有利于加快化學反應速度，同時高能量的超聲也能使顆粒細化。超聲的空化作用促使待浸出物表層破裂、細化而增大多相反應界面，表層晶體結(jié)構(gòu)缺陷的出現(xiàn)和積累也使浸出反應活化能下降，這些對加快浸出速度均有一定作用[4]。超聲波還具有控制礦物碳化過程晶體形態(tài)的作用[5-6]。

濕法煉鋅熱酸浸出過程中，進入浸出液中的鐵最終以鐵礬渣、針鐵礦渣、赤鐵礦渣等固體形式從鋅系統(tǒng)開路。鐵礬渣中鐵含量少，難以達到工藝煉鐵要求，一般運往渣場堆放，占用大量土地資源[7-8]。鐵礬渣中存在的Zn、Pb、Fe、Cd、Sb、Cu、Sn、As、In、Ag等有色金屬含量較高。這種鐵礬渣在一定酸性條件下穩(wěn)定，但pH升高或受熱會水解或分解，產(chǎn)生大量污染環(huán)境的物質(zhì)，所以，鐵礬渣如果長期堆放而不及時處理，不僅浪費寶貴資源，而且對環(huán)境具有潛在危害[9-11]。

目前，從鐵礬渣中回收銦、鋅金屬主要采用熱酸法，但熱酸法存在操作條件苛刻、酸用量大、廢酸多等問題[12-14]。試驗將超聲波引入到鐵礬渣浸出過程中，以改善浸出條件，提高有價金屬銦和鋅浸出率。

1 試驗部分

1.1 試驗原料

試驗用鐵礬渣由廣西某冶煉廠提供。鐵礬渣經(jīng)干燥、研磨、篩分后，過100目篩，其主要成分見表1。

表1 鐵礬渣的主要化學成分 %

XRD(圖1)分析結(jié)果表明：鐵礬渣的主要物相是黃銨鐵礬(NH4Fe3(SO4)2(OH)6)、鐵酸鋅(ZnFe2O4)、一水合硫酸鋅(ZnSO4·H2O)；鐵礬渣中銦質(zhì)量分數(shù)僅有0.15%，XRD圖譜上沒有顯示含銦物相，經(jīng)分析，銦主要存在于鐵酸鋅及鐵礬晶格中[15]。

圖1 鐵礬渣的XRD圖譜

1.2 試驗儀器

SJB-S450型實驗室攪拌器，KQ-400KDE型高功率數(shù)控超聲波清洗器(作為試驗用反應器)，BSA系列電子天平，SHB-Ⅲ型系列循環(huán)水式多用真空泵，精密電熱恒溫鼓風干燥箱，WFJ720型可見光分光光度計，X′Pert3 Powder多功能X-射線衍射儀，S-4800型場發(fā)射掃描電子顯微鏡，MH-500型調(diào)溫型電熱套。

1.3 試驗方法

在超聲波反應器中加入適量水并加熱到一定溫度，按一定條件，在250 mL三口燒瓶中加入一定濃度和一定量硫酸并加接機械攪拌器，將三口燒瓶置于超聲波反應器內(nèi)，加熱到設定溫度后加入10.0 g鐵礬渣，在不同條件下進行試驗。達到設定反應時間后取下三口燒瓶，冷卻后抽濾并采用分光光度法[16]測定浸出液中銦質(zhì)量濃度，以EDTA容量滴定法[15]測定鋅質(zhì)量濃度，根據(jù)分析結(jié)果計算銦、鋅浸出率。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 超聲波對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

稱取2份質(zhì)量相同的鐵礬渣，在硫酸濃度2.5 mol/L、液固體積質(zhì)量比10∶1、浸出時間60 min、反應溫度60 ℃、攪拌速度400 r/min條件下，考察超聲波對銦、鋅浸出率的影響，超聲波功率80 W。試驗結(jié)果見表2。

表2 超聲波功率對銦、鋅浸出率的影響

從表2看出，無超聲波輔助浸出時的銦、鋅浸出率明顯低于有超聲波輔助浸出時的銦、鋅浸出率。這說明超聲波的引入可以有效改善鐵礬渣中銦、鋅的浸出效果。

圖2為無超聲波輔助及有超聲波輔助酸浸出渣的XRD圖譜。

a—無超聲波輔助酸浸出渣；b—超聲波輔助酸浸出渣。

由圖1、2看出：2種方法酸浸后，浸出渣的物相沒有發(fā)生明顯變化，而各物相的衍射峰強度變化明顯，說明各物相在渣中的分配發(fā)生了變化。

圖3為原料鐵礬渣、無超聲波輔助酸浸出渣及超聲波輔助酸浸出渣的SEM照片(分別放大2 000倍和5 000倍)。

a—鐵礬渣；b—無超聲波輔助酸浸出渣；c—超聲波輔助酸浸出渣。

從圖3看出：原料鐵礬渣顆粒較大，表面平滑且有一些小顆粒粘附在大顆粒表面，顆粒與顆粒之間有輕微團聚現(xiàn)象；無超聲波輔助浸出渣和超聲波輔助浸出渣顆粒較原料鐵礬渣明顯變小且顆粒表面留有明顯孔、洞，其中超聲波輔助浸出渣表面形貌變化更顯著，說明有超聲波輔助條件下鐵礬渣的溶解速度更快。

2.2 超聲波功率對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

試驗條件：硫酸濃度2.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比10∶1，浸出時間60 min，反應溫度60 ℃，攪拌速度400 r/min。超聲波功率對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖4所示?？梢钥闯觯撼暡üβ蕿?時，銦、鋅浸出率較低；隨超聲波功率增大，銦、鋅浸出率提高。這表明超聲波的引入可以有效改善鐵礬渣中銦、鋅浸出效果；但超聲波功率大于200 W后，銦浸出率提高幅度不大，鋅浸出率略有提高。綜合考慮，確定適宜的超聲波功率為200 W。

圖4 超聲波功率對銦、鋅浸出率的影響

2.3 超聲波輔助浸出時間對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

超聲波功率200 W，反應溫度60 ℃，硫酸濃度2.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比10∶1，攪拌速度400 r/min，超聲波輔助浸出時間對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

圖5 超聲波輔助浸出時間對銦、鋅浸出率的影響

從圖5看出：銦浸出率隨浸出時間延長提高幅度不大，鋅浸出率提高顯著；浸出150 min時，銦浸出率為83.5%，鋅浸出率為88.5%，浸出效果較好。

2.4 反應溫度對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

超聲波功率200 W，硫酸濃度2.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比10∶1，浸出時間60 min，攪拌速度400 r/min，反應溫度對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

圖6 反應溫度對銦、鋅浸出率的影響

從圖6看出：銦、鋅浸出率隨反應溫度升高均顯著提高；溫度為70 ℃時，銦、鋅浸出率分別為84.5%和79.2%。反應溫度越高，溶液分子熱運動速度越大，浸出液黏滯性越小，擴散阻力越小，越有利于擴散，所以升高溫度有利于浸出反應的進行。

2.5 硫酸濃度對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

超聲波功率200 W，浸出時間60 min，反應溫度70 ℃，液固體積質(zhì)量比10∶1，攪拌速度400 r/min，硫酸濃度對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 硫酸濃度對銦、鋅浸出率的影響

從圖7看出：隨硫酸濃度從0.5 moL/L提高到2.5 moL/L，銦、鋅浸出率均明顯提高；硫酸濃度高于2.5 moL/L后，銦、鋅出率提高幅度均不大，特別是銦浸出率幾乎無變化。

2.6 液固體積質(zhì)量比對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

超聲波功率200 W，浸出時間60 min，反應溫度60 ℃，硫酸濃度2.5 mol/L，攪拌速度400 r/min，液固體積質(zhì)量比對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 液固體積質(zhì)量比對銦、鋅浸出率的影響

從圖8看出：隨液固體積質(zhì)量比在(6∶1)～(10∶1)范圍內(nèi)增大，銦、鋅浸出率均明顯提高，且銦浸出率提高幅度更明顯，銦浸出率從66.8%提高至79.3%，鋅浸出率從62.7%提高至72.3%；液固體積質(zhì)量比大于10∶1后，銦、鋅浸出率均不大。液固體積質(zhì)量比過小，液固接觸不充分，會削弱超聲波的空化作用；液固體積質(zhì)量比增大可使固液兩相中的離子濃度梯度增大，使浸出過程中的擴散作用增強，有利于加快浸出速率。隨固相中的離子不斷被浸出，溶液中的離子濃度逐漸增大，固液兩相中離子濃度差減小，導致浸出速率減慢。另外，隨液固體積質(zhì)量比增大，液體用量加大，設備負荷加大，不利于后續(xù)液體回收、除雜。所以，液固體積質(zhì)量比不宜太大，以不超過10∶1為宜。

2.7 攪拌速度對鐵礬渣中銦、鋅浸出率的影響

超聲波功率200 W，浸出時間60 min、反應溫度60 ℃、硫酸濃度2.5 mol/L，液固體積質(zhì)量比10∶1，攪拌速度對銦、鋅浸出率的影響試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 攪拌速度對銦、鋅的浸出率的影響

從圖9看出:在低攪拌速度(0～100 r/min)下，銦、鋅浸出率變化較大，不攪拌和攪拌速度為100 r/min時，銦浸出率分別為57.0%和70.5%，鋅浸出率分別為60.7%和69.0%；但更高攪拌速度(100～500 r/min)下，銦、鋅浸出率都變化不大。綜合考慮，確定適宜的攪拌速率為100 r/min。

3 結(jié)論

超聲波輔助浸出能夠加快鐵礬渣溶解，有利于提高銦、鋅浸出率。適宜條件下，用200 W的超聲波輔助浸出，反應溫度、硫酸濃度、超聲波功率、浸出時間對銦、鋅浸出影響較大；液固體積質(zhì)量比和攪拌速度相較于其他因素對銦、鋅浸出影響較小。

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Changsha410083，China)

Ultrasonic-assisted Leaching of Indium and Zinc From Jarosite Slag

YAO Jinhuan1,2,QIU Xueping1,CHEN Qin1,ZHANG Hui1,LI Yanwei1

(1.CollaborativeInnovationCenterforExplorationofHiddenNonferrousMetalDepositsandDevelopmentofNewMaterialsinGuangxi,GuilinUniversityofTechnology,Guilin541004,China；2.CollegeofChemistryandChemicalEngineering,CentralSouthUniversity,

The ultrasonic was used to improve the leaching of indium and zinc from jarosite slag.The leaching rate of indium and zinc by sulfuric acid direct leaching and the ultrasonic assisted sulfuric acid leaching were compared.Meantime,the effects of ultrasonic power，leaching time，reaction temperature，sulfuric acid concentration，liquid-to-solid ratio and stirring rate on leaching of indium and zinc were examined.The leaching residues phases and morphology were analyzed by XRD and SEM.The results show that by ultrasonic in leaching process of jarosite residue can speed up the dissolution of jarosite residue and improve the leaching of indium and zinc.The effects of ultrasonic power,sulphuric acid concentration,reaction temperature on leaching rate of indium and zinc are more obvious.The leaching time has little influence on leaching of indium but has obvious influence on leaching of zinc.The liquid-to-solid ratio and stirring speed have little influence on leaching of indium and zinc comparing with other factors.The results obtained in this study is useful for the high-efficient leaching of indium and zinc from jarosite slag.

ultrasonic；jarosite slag；leaching；indium；zinc

2016-11-11

國家自然科學基金資助項目(51464009)；廣西自然科學基金資助項目(2014GXNSFBA118238)；廣西教育廳項目(YB2014153)；中國博士后科學基金資助項目(2016M590754)；中南大學博士后基金資助項目。

姚金環(huán)(1980-)，女，遼寧大連人，博士，副教授，主要研究方向為濕法冶金與電池電化學。E-mail：yaojinhuan@126.com。

李延偉(1979-)，男，黑龍江齊齊哈爾人，博士，教授，主要研究方向為濕法冶金與電池電化學。E-mail：lywhit@126.com。

TF803.21;TF813;TF843

A

1009-2617(2017)04-0262-05

10.13355/j.cnki.sfyj.2017.04.003