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氨法一步沉淀法制备碱式碳酸锌结晶行为特征

2023-07-05 来源:步旅网
第33卷第2期 2013年o4月 矿 冶 工 程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vo1.33№2 April 2013 氨法一步沉淀法制备碱式碳酸锌结晶行为特征① 杨永斌,张鑫,李骞,姜 涛,白国华 (中南大学资源加工与生物工程学院,湖南长沙410083) 摘要:研究了锌氨配离子溶液一步法制备碱式碳酸锌晶体的结晶行为。以锌氨配离子溶液中[zn“] 的迁移轨迹为基础,研究 不同工艺参数条件对制备碱式碳酸锌结晶率与晶体粒径的影响。试验结果表明,蒸氨开始1O一50 min为前驱体碱式碳酸锌晶核形 成期,反应温度越高结晶速率越快,体系中氨的含量越高晶核粒径越小。结晶50 min后,为晶核生长期,前驱体晶体粒径快速增大, 温度越高晶体生长速率越快。在8O℃、搅拌速度400 r/min、Zn 浓度2.6 mol/L的条件下,蒸氨50 min制得碱式碳酸锌晶核平均 粒径为180 am。此外,采用匀速滴加碳酸氢铵溶液能减缓碱式碳酸锌晶体生长速率,晶核平均粒径小于120 am。 关键词:氨法;碱式碳酸锌;结晶行为 中图分类号:TF111 文献标识码:A doi:10.3969/j.issn.0253-6099.2013.02.026 文章编号:0253—6099(2013)02—0101—04 Characteristics of Crystallization Behavior of Basic Zinc Carbonate in Preparation by Ammonia Process YANG Yong_bin,ZHANG Xin,LI Qian,JIANG Tao,BAI Guo—hua (School ofMineral Processing and Bio-engienering,Central South University,Changsha Hunan,410083) Abstract:An investigation was made on the crystallization behavior of basic zinc carbonate in the preparation using zinc— amino coordination ion solution by one—step precipitation method.The effects of diferent process conditions on erystalli— zation rate and crystla grain size were studied based on the trajectory of[zn ]T in the zinc—amino coordination ion solution.The results showed that the crystal nuclei of basic zinc carbonate precursor formed during the early 10~50 min period in ammonia stilling process.The crystallization speed will become faster with the rise of temperature,while the size of crystal nucleus will become smaller with the increasing of the ammonia concentration.After 50一minute crystalliza— tion,the nuclei was in a growth stage.The crystal grain size of the precusor increased sharply.With a stirring speed at 400 r/min,Zn“content of 2.6 mol/L and ammonia still time of 50 rain,the average grain size of the crystal nuclei obtained was 1 80 nm.In addition,adding ammonium bicarbonate solution at a uniform velocity could decrease the rgowth rate of the zinc carbonate crystals,with an average size less than 120 nm. Key words:ammonia process;basic zinc carbonate;crystlalization behavior 随着氧化锌需求的持续增长和人们环境保护意识 热分解。彭清静等人L3 使用锌焙砂为原料经氨.铵 的增强,含锌烟尘等低品位氧化锌物料制备活性氧化 盐浸出,制得纯度达99.3%的活性氧化锌;Espiari等 锌的技术越来越受到重视。氨法制备活性氧化锌是碱 研究了不同升温速率下碱式碳酸锌的分解行为 J, 法制备氧化锌中的一种重要方法…,其工艺流程简 证明其热分解过程属于随机成核机理。 单,生产成本低。氨法浸锌液结晶所得前驱体碱式碳 采用化学沉淀法制备碱式碳酸锌晶体,生产成本 酸锌,是制备活性氧化锌的主要原料。由于活性氧化 较高,对含锌原料适应性差。因此,研究锌氨配离子溶 锌用途不同,所需碱式碳酸锌的颗粒形貌与粒径也不 液制备碱式碳酸锌晶体的结晶行为,对氨法制备活性 同 。 氧化锌工艺影响重大。本文用氨法制备锌氨配离子溶 目前国内外对氨配合法制备活性氧化锌的研究主 液,采用氨-碳酸氢铵一步法制备碱式碳酸锌晶体,研 要集中于氨法浸出含锌物料及碱式碳酸锌化学合成与 究不同参数条件下溶液中游离锌离子的迁移以及碱式 ①收稿13期:2012-09-28 作者简介:杨永斌(1969一),男,江西莲花人,博士,副教授,主要从事金矿资源提取与冶炼研究。 矿冶工程 第33卷 碳酸锌晶核形成与生长规律。 1试验原料及方法 实验使用分析纯级氧化锌、氨水、NH HCO,制备 氨法浸锌液。称取ZnO试样置于烧杯中,根据实验要 求配置的氨水和碳酸氢铵溶液倒人烧杯,恒温搅拌,反 应到指定时间,制备不同参数的锌氨配离子溶液。将 制得溶液过滤后加入反应器中,使用恒温磁力搅拌器 控制反应温度及搅拌速度,实时补充体系中挥发的水 高蒸氨结晶时间快速缩短,高温条件下,结晶反应受锌 氨配离子离解反应控制,温度的升高促进了HCO,一的 分解,有利于结晶物的生成。继续提到温度虽然能一 定程度上缩短结晶时间,但高温条件下会出现碱式碳 酸锌晶体粒径的快速增大,因而温度不宜太高,80℃ 较好。 分,蒸氨结晶到指定时间,过滤烘干,煅烧后制得活性 氧化锌。实验中采用激光粒度仪测定碱式碳酸锌粒 度,EDTA滴定法测定溶液中锌离子的浓度。 2结果及讨论 2.1 锌氨配离子结晶行为 在锌氨配合物结晶体系中,对游离的锌离子 ([zn ] )的结晶行为研究,能判断晶核形成区与晶 体长大区,反映碱式碳酸锌结晶率。 2.1.1碱式碳酸锌结晶率随时间变化规律在80℃ 水浴温度下,对纯氧化锌浸出液进行蒸氨结晶试验研 究。锌离子浓度随蒸氨结晶时间的变化如图1所示。 结晶时间/min 图1 碱式碳酸锌结晶率随时间变化规律曲线 温度8O℃,搅拌速度400 r/min,液固比5:1,Zn 浓度2.6 mol/L [zn ]T:([NH4 ]+[NH3]T)=1:4,[NH4 ]:[NH3]T=3:1 从图1可知,蒸氨结晶过程0—60 min内,体系中 [zn ] 浓度逐渐下降,溶液处于亚稳定状态,为碱式 碳酸锌晶核形成期,结晶速率较慢。蒸氨60 min后, [zn ] 快速降低,氨的持续蒸发导致锌氨配合物的 稳定性变差,CO 一取代与zn 配位的NH,,离解反应 快速进行。碱式碳酸锌晶核粒径增大,溶液出现浊点。 蒸氨240 min后结晶基本完成,结晶率达95.8%。 2.1.2反应温度对结晶率的影响 反应温度能直接 影响HCO 一分解速度与NH,的挥发速率及氨的活性, 同时温度升高有利于新生晶核的生成。温度对结晶率 的影响见图2。从图2中可明显看出,随着温度的升 结晶时间/rain 图2反应温度对结晶率的影响 搅拌速度400 r/min,液固比5:1,Zn 浓度2.6 mol/L, [zn ]T:([NH4 ]+[NH3]T)=l:4,[NH4 ]:[NH3]T=3:1 2.1.3搅拌速度对结晶率的影响提高搅拌速度,能 促进氨的挥发,固体颗粒表面的扩散层变薄,增加晶体 与晶体之间碰撞的概率。搅拌速度对碱式碳酸锌结晶 影响见图3。从图3可看出,提高搅拌速度对缩短蒸 氨结晶时间有利。无搅拌与低速搅拌时,锌离子浓度 下降缓慢,结晶率低;当搅拌速度达到300 r/min,经4 h结晶后,结晶率为90.7%,与搅拌速度400 r/min时 结晶率(95.8%)相差不大。搅拌速度增大到一定程 度,扩散层的厚度不再减薄,继续提高搅拌强度对结晶 速率影响不大,实验选择搅拌速度为400 r/min。 结晶时间/min 图3搅拌速度对结晶率的影响 温度8O℃,液固比5:1,Zn 浓度2.6 mol/L, [Zn2 ]T:([Nil4 ]+[NH3]T)=1:4,[NH4 ]:[NH3]T=3:1 2.1.4[Zn ] 浓度对结晶率的影响 化学反应结 晶与普通热饱和结晶不同,其结晶过程受化学反应速 率控制,溶液中锌离子的总浓度能够影响与改变结晶 第2期 杨永斌等:氨法一步沉淀法制备碱式碳酸锌结晶行为特征 103 反应进程,[Zn ] 浓度对结晶率的影响见图4。从图 和程度降低,锌氨多元配位平衡被打破,结晶产物颗粒 粒度以相对较快的速度增大,在蒸氨结晶60 min后 80,70,60℃所得的晶体粒度分别为498.6,380.5, 306.3 nm。 4中可以看出,当溶液中锌离子浓度增大时,由于溶液 总氨的量不同,受扩散控制的NH 的蒸发的量对碱式 碳酸锌结晶速率产生直接影响,氨的浓度越高,缩核取 代_8 现象越明显,锌离子下降速度越慢。在zn¨浓度 为2.6 mol/L时,蒸氨3 h溶液中游离的锌离子仍有 1.32 mol/L,结晶率仅为53.8%。降低溶液中[zn ] 浓度为0.5 mol/L后,结晶时间缩短为3 h。同时浓度 对配合物结晶颗粒的影响也较大,受扩散控制的结晶 蓉 物生长过程中,浓度越高碰撞越激烈,碱式碳酸锌颗粒 粒径变化更明显。 结晶时间/min 图4[Zn ] 浓度对结晶率的影响 温度8O℃,液固比5:1,搅拌速度400 r/min, [Zn ]T:([NH4 ]+[NH3]T)=1:4,[NH4 ]:[NH3]T=3:1 2.2工艺条件对结晶产物粒径的影响 氨法制备碱式碳酸锌晶体的结晶过程,不同于一 般的热饱和结晶,化学反应结晶过程中往往伴随着锌 氨配离子的相变、聚集和破碎等过程。结晶初期,当体 系中的NH 开始蒸发,溶液中配体量减少,但仍能一 定程度上维持溶液中的锌氨配离子为亚稳定状态,化 学反应速率较慢,为碱式碳酸锌晶核形成期。根据 Ostwald递变法则 J,在反应结晶过程中首先析出的碱 式碳酸锌晶体是介稳状态的固体,随着结晶反应的进 行逐渐转变为更稳定的固体状态。因此,要想获得符 合粒度分布要求的晶体产品,必须严格控制溶液中各 条件参数,控制晶核粒径与生长速度。 2.2.1 温度对结晶物粒径的影响 温度对碱式碳酸 锌粒度的影响较为特殊,其结果见图5。在晶核形成阶 段,温度越高,晶核粒度越细,在蒸氨30 min后80,70, 60 cc所得的碱式碳酸锌晶核平均粒度分别为l3.5, 28.5,36.8 nm。温度越高,溶液中NH 以气体形式进 入溶液中的量越多,溶液中碳酸根离子快速取代与锌 配位的氨,新生晶核大量生成,反应温度越高析出的碱 式碳酸锌晶体粒径越小。随着蒸氨时间延长,溶液饱 器 譬 时间/ram 图5 温度对结晶产物粒度的影响 温度8O℃,搅拌速度400 r/min,Zn 浓度2.6 mol/L, [zn ]T:([NH4 ]+[NH3]T)=1:4,[NH4 ]:[NH3]T=3:1 2.2.2试剂配比对结晶物粒径的影响结晶母液中 存在的NH 的量对结晶物粒度有较大影响,一方面大 量氨的存在维持了溶液中的配位平衡,配合物离解反 应速度减缓,碱式碳酸锌晶核粒度减小。另一方面氨 水的总量增大,配合物离解速度下降,结晶速率较慢。 在0~50 min晶核形成期,溶液中氨的含量越高,碱式 碳酸锌粒度越细,在[NH ]:[NH ] =2:1和1:1时前 50 min碱式碳酸锌晶核粒度均小于100 nm。随着时 间的延长,[NH,] 含量越高,晶体粒径增长速率越 慢。其结果如图6所示。 暑 敬 镫 疆 髻 时间/mill 图6 NH :NH 比值对结晶产物粒度的影响 温度8O℃,搅拌速度400 r/min, Zn:([NH4 ]+[NH3]T)=1:4,zn 浓度2.6 mol/L 2.2.3碳酸氢铵添加方式对结晶物粒径的影响碳 酸氢铵作为浸出剂制备锌氨配离子溶液,结晶过程中 溶液中HCO。一受热分解产生的cO 一是碱式碳酸锌 结晶过程中的沉淀剂,其浓度与添加方式能改变结晶 速率与结晶产物的粒度组成,实验中分别选用氨水、碳 l04 矿冶工程 第33卷 酸氢铵与氨水、NH C1分别制备[zn ] 浓度为2.6 mol/L锌氨配离子溶液。试验1采用直接沉淀法,试 验2、试验3每分钟分别滴加2 mL不同浓度NH HCO。 溶液。对比沉淀剂滴加方式对结晶物粒径的影响,结 果见图7。 1)氨法浸锌液制备碱式碳酸锌的过程,zn 离子 浓度受温度、试剂浓度、搅拌速度、蒸氨时间等方面因 素影响,其结晶周期较长,2.6 mol/L的锌氨配离子溶 液在80℃、搅拌速度400 r/min、蒸氨时间4 h的条件 下结晶率可达95%。 2)碱式碳酸锌晶体在晶核形成期,反应温度越高 晶核平均粒径越小,在晶体长大期,温度越高晶体生长 速率越快。溶液中NH 的量影响碱式碳酸锌晶核大 小,NH 浓度越高晶核粒径越小,晶体生长速率越慢。 3)沉淀剂CO, 添加方式对晶核粒径影响较大, 昌 皇 \ 敲 懿 器 餐 采用滴加CO, 一操作能有效降低晶体晶体生长速率, 滴加CO, 一浓度过高易造成局部反应物浓度升高,晶 核粒径增大。 时间/rain 参考文献: 王雅琼,许文林,鲁.二 1j 1j 图7 CO, 一添加方式对结晶物粒度的影响 温度8O℃,搅拌速度4OO r/min, Zn:([NH4 ]+[NH3]T)=1:4,NH4 :NH3=3,Zn 浓度2.6 moL/L 试验l——NH4HCO3浓度0.5 mol/L,滴速2 mL/min; 试验2——NH4HCO3浓度1 mol/L,滴速2 mL/rain; 萍.氨配合法制活性氧化锌出杂净化过程 1J 1j 1J 研究[J].化学工业与工程,2002,19(2):197—200. 王久亮.纳米级氧化锌你制备技术研究进展[J].硅酸盐通报, 2004(5):58—60. 试验3——NH4HCO3作为浸出剂 彭清静,段友构.氨浸磁化法制活性氧化锌[J].化工生产与技 术,2001,8(6):15—17. Espiari S,Rashchi F,Sadmezhad S K.Hydremetalhrgical treatment 从图7不难看出,沉淀剂CO, 一添加方式对结晶 oftailings with hish zinc content[J].HydremetaUurgy,2006,82(1 —物粒径影响较大,配合物结晶晶核形成过程受配合物 2):54—62. 离解反应控制,通过滴加沉淀剂CO, 一离子控制反应 物浓度,减缓结晶物生长速率,有利于形成纳米级碱式 碳酸锌。滴加CO 一的浓度过高时,易造成局部 CO, 浓度过高,晶核粒径增大,但晶体生长速率仍低 于碳酸氢铵作为浸出剂时的速率。 Feifei Gao,Naotaka Chino,Saj0 P Naik,et a1.Photoelectric proper- ties of nano.ZnO fabricated in mesoporeus silica film『J].Materials Letters,2007(61):3179—3184. 徐迪,段学臣,李中兰,等.热法制备掺铝氧化锌纳米棒阵列及 其光学特性[J].功能材料,2008,39(4):695—687. Ghosha M K.Oxidative ammonia leaching fo sphalerite[J].Mineral Processing,2002:241—254. 3结 论 Olper M.Zinc extraction from EAF dust with hte Ezinex process[J]. Metallurgy,1997,94(1):111—120. 锌氨配离子溶液结晶过程与普通热饱和结晶略有 不同,晶核的形成受到锌氨配合物离解反应控制。 李—明.纳米氧化锌的生产和应用[J].化工文摘,2007(5):53 56. (上接第100页) 一方面要避免铁的氧化物出现过还原,该矿石(一6 洪世琨.我国锰矿资源开采现状与可持续发展的研究[J].中国 锰业,2011,29(3):13—16. mm)在WH200C型回转窑中焙烧温度为750—800 ℃,还原剂用量为1O%时可获得较好的焙烧矿指标。 2)提高焙烧矿中金属Mn浸出率的同时需防止 李泽茂,刘国伟,夏星,等.高硫难浸金精矿氧化渣中单质硫的 深入氧化研究[J].矿冶工程,2012(4):77-79. 王佳宾,侯拥和,雷圣辉.氧化锰矿制备硫酸锰工艺条件的研究 [J].矿冶工程,2012(1):87—91. 施雯,颜文斌,熊邵锋.铁屑还原浸出低品位软锰矿工艺研究 大量的铁进入溶液。取焙烧矿280 g,在硫酸用量95 mL,液固比6:1,浸出时间40 min,搅拌速度300 r/min 时可获得Mn浸出率93.60%。 参考文献: [1]周凌风.我国锰资源现状及其加工发展前景[J].电池工业, 2011,16(I):49—52. [J].矿冶工程,2012(1):84—86. 谭柱中,梅光贵,李维健,等.锰冶金学[M].长沙:中南大学出版 社,2007. 李同庆.低品位软锰矿还原工艺技术与研究进展[J].中国锰 业,2008,26(2):4—5. 

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