Выщелачивание обожженных цинковых концентратов

Выщелачивание является первой технологической операцией гидрометаллургического цикла получения цинка из сульфидных концентратов.

Цель выщелачивания – возможно более полно перевести в раствор цинк и некоторые сопутствующии ему ценные компоненты при минимальном загрязнении раствора примесями, оказывающими вредное влияние на последующие операции получения чистого металлического цинка. В качестве растворителя используют оборотный раствор H₂SO₄ – отработанный электролит, содержащий 120÷160 г/л свободной серной кислоты и до 30÷50 г/л цинка.

На выщелачивание поступает обожженный цинковый концентрат, содержащий 55% Zn и до 2,5÷3,0% S в виде сульфидов и сульфатов. Цинк в огарке находится в виде оксида ZnO, сульфата ZnSO₄, силиката 2ZnO·SiO₂ и феррита ZnO·Fe₂O₃. Кроме цинка, в нем присутствуют различные соединения примесей меди, свинца, железа, кадмия, мышьяка, сурьмы, кобальта, благородные и редкие металлы.

Процесс растворения твердого тела (например, огар­ка) или выщелачивание из него ценного компонента можно посмотреть на рисунке 4.

Рисунок 4 – Схема растворения частицы огарка в серной кислоте

Процесс растворения состоит из трех стадии. На первой стадии осуще­ствляется перенос реаги­рующих частиц раствори­теля (H₂SO₄) к поверхно­сти твердого тела (зерна огарка), на которой про­исходит взаимодействие с окисью цинка. Вторая стадия - собственно вза­имодействие растворите­ля с окисью цинка. На третьей стадии происхо­дит отвод продуктов ре­акции (ZnSO₄, H₂O) из зоны взаимодействия (поверхности раздела фаз).

Скорость взаимодействия растворителя с материалом обычно очень велика. Лимитируют общую скорость растворения диффузионные процессы, протекающие в первой и третьей стадиях, так как прилегающий к поверхности огарка слой растворителя постепенно обе­дняется серной кислотой и обогащается сульфатом цин­ка. Поэтому для обновления слоя растворителя вокруг частиц огарка и поддержания постоянной скорости рас­творения применяют перемешивание пульпы.

На скорость процесса растворения существенное вли­яние оказывает также величина частиц материала. Чем мельче зерна обожженного концентрата, тем больше по­верхность взаимодействия огарка с растворителем и выше скорость растворения. В связи с этим на выщелачи­вание направляют только тонко измельченный ма­териал, без крупных частиц или комков.

Окись цинка растворяется в серной кислоте по реакции:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + H₂O. (5)

При избытке кислоты и интенсивном перемешивании пульпы эта реакция протекает довольно быстро. При выщелачивании огарка крупностью –0,2+0,15 мм переход цинка в раствор заканчивается за 2 мин, а при крупности частиц менее 0,15 мм – за 1 мин. При этом температура пульпы резко повышается до 80-90˚ C. С высокой скоростью рас­творяется в серной кислоте и окись цинка, находящаяся в вельц - окислах и возгонах.

Для выщелачивания обожженного цинковоко концентрата (огарка) применяется двухстадийная схема переработки, так как она не требует предворительного дополнительного измельчения огарка. Вместе с тем двустадий­ная схема обеспечивает более высокое извлечение в раствор цинка и других ценных компонентов. На первой стадии обычно осуществляют нейтральное выщелачивание, на второй - кислое. В стадии нейтрального выщелачивания огарок перемешивают с оборотными растворами второй, кислой, стадии и заканчивают нейтрализацией пульпы до определенного значения рН. После отделения основ­ной части раствора от твердого остатка к сгущенной нейтральной пульпе, содержащей избыток окиси цинка, добавляют отработанный электролит и проводят вторую (кислую) стадию. Распределение отработанного электро­лита между первой и второй стадиями устанавлива­ют в зависимости от кислотного режима на каждой стадии.

На кислой стадии часть примесей, осажденных при нейтрализации пульпы на первой стадии, вновь переходит в раствор и с течением времени накапливается в процес­се. Равновесие устанавливается после того, как количе­ство выводимых из процесса с влажнымцинковым кеком примесей на второй стадии станет равным количеству примесей, поступающих в процесс из огарка и других материалов. Вследствие циркуляции примесей при двустадийной схеме на стадии нейтрального выщелачивания получают растворы с большим содержанием примесей.

Нейтраль­ное выщелачивание проводят в двух после­довательно установленных чанах с механическим переме­шиванием; перемешивание в них пульпы производят с помощью диффузора.

Главная цель нейтрального выщелачивания состоит в получении раствора, пригодного для дальнейшей очи­стки его от меди, кадмия, кобальта, никеля, сурьмы и последующего электролиза цинка. При этом не стремят­ся перевести весь цинк в раствор. Для выполнения этой задачи поступающую из отделения классификации пуль­пу нейтрализуют большим избытком огарка и доводят се в чанах с механическим перемешиванием до такого зна­чения рН, при котором создаются условия, обеспечива­ющие полноту гидролитической очистки раствора от же­леза, кремнекислоты и удовлетворительную (не менее 12–18 см за 30 мин в цилиндре высотой 30 см) скорость отстаивания (осветления) пульпы в сгустителях. В зави­симости от характера исходного сырья и особенно от содержания в нем меди, а также от того, проводится или нет предварительное окисление двухвалентного железа, такие условия создаются по достижении рН=4,8÷5,4. Нижний предел рН допустим в случае, когда поступаю­щее в нейтральный цикл с оборотными растворами закисное железо предварительно в отдельной аппаратуре окисляется до окисного.

Процессы нейтрализации кислоты и гидролиза приме­сей продолжаются в пульпе некоторое время и после того, как она поступит в нейтральные сгустители. В ре­зультате нейтрального выщелачивания, сгущения и от­стаивания нейтральной пульпы получают два продук­та - верхний слив нейтральных сгустителей и сгущенную нейтральную пульпу (нижний слив сгустителей). По со­ставу верхнего слива сгустителей судят о том, насколько полно завершены процессы на нейтральной стадии выще­лачивания. В частности, полноту гидролитической очи­стки раствора характеризует содержание в верхнем сли­ве железа, меди, мышьяка, сурьмы, а степень осветле­ния - содержание в нем твердой взвеси. Нижний слив нейтральных сгустителей является промежуточным про­дуктом, поэтому в нем поддерживают только заданное соотношение ж:т в пределах (2-3): 1. Примерный состав верхнего слива нейтральных сгустителей следующий: 135 г/л Zn; 600–1800 мг/л Сu; 40–50 мг/л Fe; 0,2– 0,5 мг/л As; 0,1–0,5 мг/л Sb; 0,8–2 г/л - твердая взвесь; рН=4,8÷5,4.

Для проведения кислого выщелачивания сгущен­ную нейтральную пульпу (нижний слив сгустителей) направляют в серию из 4-5 последовательно располо­женных чанов с воздушным перемешиванием. В первый чан, кроме сгущенной нейтральной пульпы, подают так­же отработанный электролит и различные кислые обо­ротные растворы, которые по своему составу, нельзя на­правлять в нейтральную стадию.

Кислотный режим устанавливается технологическим регламентом в зависимости от качества исходного сырья. Из-за большого содержания в огарке растворимых приме­сей кислое выщелачивание осуществляют при более низ­кой кислотности пульпы. В этом слу­чае кислотность пульпы снижается по мере движения ее от головного к последнему чану. Обычно в первом или втором чане концентрация кислоты находится в пределах 2–5 г/л, а в последнем она снижается до рН=2÷4.

Для точного соблюдения заданного кислотного режима на кислой стадии выщелачивания необходимо строго выдерживать определенное отношение между всеми про­дуктами, поступающими в головной чан. Так как при не­прерывном процессе задерживать на длительное время сгущенную нейтральную пульпу в сгустителях нельзя из-за недопустимости их перегрузки, то при изменениях в амперной нагрузке на электролиз, остановках обжи­говых печей и по другим причинам сокращают или уве­личивают подачу в головной чаи отработанного электро­лита. Для этой цели на складе растворов имеется буфер­ный чан, в который сбрасывают избыток отработанного электролита и откуда его вновь забирают при недостатке кислоты в процессе [4].