多孔金属膜在锌液净化中的应用研究.pdf
多孔金属膜在锌液净化中的应用研究 ① 曾纪术 (广西华锡集团股份有限公司,广西 柳州 545006) 摘 要 采用多孔金属膜作为过滤介质,结合锌液连续净化工艺,对某冶炼厂的中性浸出液进行了净化试验。 结果表明,溶液过滤 通量大,经 2 段净化后即可用于电积,同时可节约还原锌粉 40%,电积锌纯度达到 0 号锌标准,电流效率比采用传统的 4 段净化得 到的锌液高 5 个百分点以上。 本工艺具有流程短、净化效果好的优点,可望在工业生产中得到应用。 关键词 多孔金属膜; 锌液净化; 错流过滤; 终端过滤; 过滤通量 中图分类号 TF111文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.05.021 文章编号 0253-6099(2016)05-0080-04 Application of Porous Metal Membrane in Purification of Zinc Solution ZENG Ji⁃shu (Guangxi China⁃tin Group Co Ltd, Liuzhou 545006, Guangxi, China) Abstract Porous metal membrane was adopted as a new⁃type of filtering medium in the continuous purification process of zinc solution, for purifying a kind of neutral leachate from a zinc smelting plant. Result showed such method led to a large filtration flux. The solution after 2⁃stage purification can be used directly for electrodeposition, resulting in the consumption of zinc powder reduced by 40%. The produced electrodeposited zinc has met the purity of 0#zinc ingot standard, and has current efficiency increased by more than 5 percentage points as compared to the zinc solution coming from traditional 4⁃stage purification. This technique, being characterized by short process and good purification result, is expected to be applied in the commercial zinc production. Key words porous metal membrane; purification of zinc solution; cross⁃flow filtration; terminal filtration; filtration flux 湿法炼锌是目前世界上主要的炼锌方法,通常由 焙烧⁃浸出⁃锌液净化⁃电积⁃熔铸等工序组成[1-3]。 其 中锌液净化的基本原理是利用锌液中杂质离子的氧化 性,加入活性较高的锌粉,逐步置换出锌液中的杂质元 素,并分步过滤除去。 当前主流的锌液净化均采用三 段、四段净化工艺[3-4],每段净化以后采用滤布过滤, 过滤精度差且容易穿滤跑浑,不可避免地导致净化工 艺流程长、还原锌粉消耗高、电积电耗高、容易烧板等 问题。 因此,寻求锌液过滤新技术迫在眉睫。 本文采用某公司生产的 TiAl 金属间化合物膜对 锌中浸液过滤,结合锌液连续净化工艺,只需经两段净 化即可达到净液要求,工艺流程短,是一种值得推广应 用的锌液净化新方法。 1 试验原料及方法 1.1 试验原料 试验用锌液为某冶炼公司中性浸出后液(中浸后 液),其物性参数如表 1 所示。 表 1 锌液基本物性参数 密度 / (gcm -3 ) 温度 / ℃ 固含量 / % 固体颗粒粒度分布/ μm D10D50D90 ~1.5055~601.0~5.06.3013.4926.87 由表 1 可知,中浸后液固含量较高,且颗粒粒度较 细,这也是采用传统的压滤方式过滤造成穿滤跑浑的 重要原因。 1.2 试验设备 不锈钢错流过滤装置 1 套,不锈钢终端过滤装置 1 套,置换反应装置 1 套,其中不错流过滤装置与终端 过滤装置内部均装有 TiAl 金属间化合物材料膜套管 滤芯。 1.3 工艺流程 工艺流程如图 1 所示。 ①收稿日期 2016-04-17 基金项目 “十二五”国家科技支撑计划项目(2015BAB12B03) 作者简介 曾纪术(1974-),男,湖南洞口人,博士,高级工程师,主要从事有色金属冶炼和深加工研究。 第 36 卷第 5 期 2016 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №5 October 2016 万方数据 1;6*4.5 D1/A0D9A A,2/ 1;6D,.5 ,,2/ 1;6D,.5 A 0 图 1 锌液金属膜过滤工艺流程 与传统的锌液净化不同,本试验采用一次错流过 滤,二次终端过滤与两段净化工艺,大大缩短了工艺流 程。 各工段的主要工艺参数如下 1) 金属膜错流过滤。 将中浸后液自然沉降后的 清液或浓密机浓密后的中上清液引入中转桶,并用补 液泵打入错流过滤系统,经金属膜错流过滤后得到清 液。 整个过滤过程中对装置进行保温(50 ~ 60 ℃ 之 间),有利于下一步置换净化,过滤过程控制清液平均 通量为 500~800 kg/ (m2h),回流比为 1∶1。 2) 一段低温净化。 将经错流过滤后的清液注入 置换反应装置进行净化,除去溶液中的 Cu、Cd 离子。 锌粉加入量为 2.0~3.5 g/ L,反应温度 50~55 ℃,反应 时间 45~60 min,搅拌速度 100~150 r/ min,净化完成 后立即转入下一道工序。 3) 一次终端过滤。 将经一次净化后的液体立即 引入终端过滤装置过滤,过滤通量~1.0 t/ (m2h)。 4) 二段净化。 将经一次终端过滤的溶液进行二段 高温净化,反应除去溶液中的 Co、Ni 离子。 锌粉加入量 1~1.5 g/ L,锑盐加入量0.2 g/ L,反应温度80~85 ℃,反 应时间 60~75 min,搅拌速度 100~150 r/ min,净化完 成后转入下一道工序。 5) 二次终端过滤。 将经二段净化的溶液注入终 端过滤装置过滤,过滤通量~2.0 t/ (m2h)。 6) 电积。 将经过本次试验净化的锌液和某冶炼 厂采用四段净化的锌液取样,进行电积试验并对比,电 积条件电流密度480 A/ m2,槽温26~36 ℃,废液含酸 152~160 g/ L,含锌 48~53 g/ L。 2 试验结果与讨论 2.1 中浸后液错流过滤效果 来自于冶炼公司的中浸后液浑浊,悬浮物较多,长 时间放置后会部分沉降。 错流过滤前后溶液的目视外 观对比如图 2 所示,浊度、悬浮物含量变化如表 2 所示。 图 2 错流过滤前后溶液外观 表 2 过滤前后溶液浊度与悬浮物含量 样品 浊度(NTU)悬浮物含量/ (mgL -1 ) 滤前滤后滤前滤后 1#5001 34536 2#40079442 由图 2、表 2 可以看出,溶液在过滤前浊度大,悬 浮物含量高,经错流过滤以后,滤液变得澄清,悬浮物 含量大大减少,无疑有利于后续净化。 在试验过程中,对错流过滤装置运行稳定性进行 了监控,总共监控了 1 300 h,在过滤膜面压差 0.02~ 0.03 MPa、膜面流速 2 ~ 3 m/ s 条件下,平均通量在 500~800 kg/ (m2h)之间,可满足工业生产要求。 2.2 一段净化及一次终端过滤后效果 错流过滤后的清液直接进入一段净化,置换反应 完成后即进行终端过滤器过滤,一净前溶液成分如表 3 所示,一净并过滤后溶液成分如表 4 所示。 由于原 矿本身原因,镍、锗、镓等含量低,经净化后不会出现超 标现象,因此不列入锌液净化常规监测项目。 由表 3~4 可以看出,一段净化前溶液中Cu、Cd含量较高,与大 表 3 一净前溶液成分/ (mgL -1 ) 取样序号ZnFeCuCdCoAsSb 1149 8102.5714.28450.982.231.00.4 2155 1301.0285.71552.941.820.80.4 3154 3701.0257.14637.251.990.80.5 4149 8102.5785.81529.411.360.80.4 5152 8502.0428.57470.582.070.80.5 6147 5301.5714.29517.651.900.80.4 7152 0901.0857.14735.292.060.80.4 8146 0103.0300511.761.621.00.5 9154 2506.0228.57568.632.011.10.5 10143 7908.0523.81705.881.380.10.5 平均150 5602.85509.53568.041.840.800.45 18第 5 期曾纪术 多孔金属膜在锌液净化中的应用研究 万方数据 表 4 一净后溶液成分/ (mgL -1 ) 取样序号ZnFeCuCdCoAsSb 1148 2903.00.10.240.540.060.06 2152 0900.50.10.390.550.080.08 3153 5903.06.190.310.800.080.06 4138 23023.01.730.640.950.60.3 5143 7908.03.60.550.980.080.08 6145 7503.00.710.70.570.080.08 7136 6001.00.10.70.480.080.08 8133 3300.50.10.780.450.080.08 9146 4006.03.10.420.400.080.06 10134 64010.026.070.491.060.080.05 平均143 2705.804.180.520.680.130.09 部分锌冶炼厂的上清液成分类似。 净化后 Cu、Cd 含 量均大幅下降;除个别样品 Cu 含量高以外,其它已经 达到电积要求;Cd 含量经一次净化就可以达到电积要 求。 新工艺一净远远超过了传统的一段净化、板框压 滤的净化效果。 此外,Co、As、Sb 等也得到一定程度净 化。 传统的板框压滤,总是存在一定程度的穿滤现象, 造成净化效果不理想;此外,胶体类的悬浮物有一定的 变形性,容易穿滤,在采用锌粉净化时附着在锌粉表 面,阻碍了锌粉的进一步还原反应,造成了锌粉用量过 大。 而中浸液经过金属膜错流过滤以后,悬浮物基本 被去除干净,因此溶液更易于被净化。 对一次终端过滤器过滤通量进行了监测,结果如 图 3 所示。 由图 3 可知,通量均在 1.0 t/ (m2h)以上, 可满足工业生产要求。 ;0h 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 0.4 0.2 0.0 5010152025 .54t m-2 h-1 图 3 一次终端过滤通量波动示意 2.3 二段净化及二次终端过滤后效果 一次终端过滤后清液即进入二段净化,反应完成 后进行二次终端过滤,二净过滤后溶液成分如表 5 所 示。 由表 5 可知,经二段净化后,Co 离子已经被深度 去除,10 次取样的平均值为 0.42 mg/ L,其它的主要杂 质离子含量与某公司采用 4 段净化后溶液控制标准比 较,全部达到标准,可直接用于电积。 表 5 二净后溶液成分/ (mgL -1 ) 取样序号ZnFeCuCdCoAsSb 1150 5703.00.10.290.610.080.08 2141 1702.00.280.590.450.050.05 3146 4002.00.10.310.450.080.08 4137 9103.00.10.630.490.080.08 5133 980微量0.10.730.380.080.08 6131 3701.50.10.40.380.050.05 7139 210微量0.10.310.350.050.05 8136 930微量0.10.080.340.050.05 9124 1801.00.10.320.350.050.05 10122 220微量0.10.30.380.050.05 平均136 000<2.00.120.400.420.060.06 某冶炼公司 内部控制标准 10.00.20.80.550.080.08 此外,从净化过程中所使用的锌粉来看,某冶炼公 司之前的 4 段净化工艺段锌粉消耗为 6.5 g/ L,而本次 试验总锌粉的消耗量为 4 g/ L,锌粉消耗量减少约 40%,净化效果却优于 4 段净化工艺。 对二次终端过滤器过滤通量进行了监测,结果如 图 4 所示。 由图 4 可知,通量均在 2.0 t/ (m2h)以上, 可满足工业生产要求。 ;0h 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 5010152025 .54t m-2 h-1 图 4 二次终端过滤通量波动示意 2.4 电积试验结果 本次试验及采用 4 段净化的锌液电积试验结果如 表 6 所示。 由表 6 可以看出,无论是采用 4 段净化还 是采用金属膜净化得到的锌液,在相同的条件下电积 锌的纯度都在 99.95%以上,达到 2 号锌标准,其中采用 表 6 电积试验结果 样品 来源 编 号 电流效率 / % 电锌质量/ % ZnPbCuCdFe 4 段净化 锌液 1#75.199.98610.00360.00060.00040.0093 2#76.699.99140.00660.00040.00030.0013 金属膜 过滤净化 锌液 1#80.599.99670.00210.00030.00030.0006 2#82.599.99550.00280.00050.00040.0008 3#83.799.99560.00250.00050.00040.0010 28矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据 金属膜过滤后的锌液电积产品达到 0 号锌标准。 从电 流效率看,采用金属膜过滤的样品电流效率高出 5 个 百分点以上。 因此,采用金属膜过滤+净化的锌液,除 杂效果好,有利于提高电积效率和产品纯度。 2.5 多孔金属膜作用讨论 本试验采用的多孔金属膜是 Al 系金属间化合物 多孔非对称膜,膜平均孔径 0.1~10 μm, 过滤精度可 达 0.5 μm。 在锌液体过滤的中上清段首先加入了膜 错流过滤装置,除去了中上清溶液中固体悬浮杂质,同 时也除去了悬浮物中吸附、夹杂的杂质离子,然后采用 逆锑低温净化进行一段净化置换铜、镉等杂质,再用终 端过滤器进行快速精密过滤,有效防止镉的返溶和穿 滤; 采用高温净化进行二段深度净化置换钴、镍等杂 质, 并采用终端过滤装置进行快速精密过滤,从而实 现二净后液达到新液指标[5]。 总之,多孔金属膜通透 性好,能在较小压差的情况下实现快速过滤,从而避免 了传统压滤易导致的固体悬浮物透滤、穿滤的情况,获 得了满意的过滤效果。 3 结 论 1) 采用金属间化合物膜对锌中浸液过滤,结合连 续净化工艺,锌液经 2 段净化后即可达到深度净化目 的,主要杂质离子均低于某冶炼公司的内部控制标准, 可直接用于电积,与传统的 3 段、4 段净化工艺相比, 具有工艺流程短、净化效果好的优点,同时可节约净化 还原的锌粉 40%左右。 2) 2 段净化后液电积锌纯度达到0 号锌标准,电流 效率比采用 4 段净化得到的锌液高 5 个百分点以上。 3) 溶液净化过程采用一次错流过滤、二次终端过 滤,一次错流过滤平均通量为 500~800 kg/ (m2h), 一次终端过滤、二次终端过滤平均通量分别达到 1.0 t/ (m2h)、2.0 t/ (m2h)以上,可满足工业生产要求。 参考文献 [1] 孙 倬. 重有色金属冶炼设计手册铅锌铋卷[M]. 北京冶金工 业出版社,2008. [2] 梅光贵. 湿法炼锌学[M]. 长沙中南大学出版社,2001. [3] 蒋继穆. 我国铅锌冶炼现状与持续发展[J]. 中国有色金属学报, 2004(5)52-62. [4] Raghavan R, Mohanan P K, Verma S K. Modified zinc sulphate solution purification technique to obtain low levels of cobalt for the zinc electrowinning process[J]. Hydrometallurgy, 1999,51(2)187-206. [5] 柳栋升,张祥剑,郑其灵,等. YT 膜在湿法冶金行业中的应用[C]∥ 第四届全国膜分离技术在冶金工业中应用研讨会论文集,2014 38-41. (上接第 79 页) [5] Cheng Y, Feng Y, Teng Q, et al. Reductive leaching pyrolusite by arsenopyrite coupled with thiobacillusferrooxidans[J]. Journal of Cen⁃ tral South University of Science and Technology, 2015,46(3)759- 764. [6] Zhang W, Cheng C Y. Manganese metallurgy review. Part 1 Leac⁃ hing of ores/ secondary materials and recovery of electrolytic/ chemical manganese dioxide[J]. Hydrometallurgy, 2007,89(3-4)137-159. [7] Han Y, Ma X, Zhao W, et al. Sulfur⁃oxidizing bacteria dominate the microbial diversity shift during the pyrite and low⁃grade pyrolusite bi⁃ oleaching process[J]. Journal of Bioscience and Bioengineering, 2013,116(4)465-471. [8] Bryan C G, Watkin E L, Mccredden T J, et al. The use of pyrite as a source of lixiviant in the bioleaching of electronic waste[J]. Hydro⁃ metallurgy, 2015,15233-43. [9] He Z⁃G, Yang Y⁃P, Zhou S, et al. Effect of pyrite, elemental sulfur and ferrous ions on EPS production by metal sulfide bioleaching mi⁃ crobes[J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2014, 24(4)1171-1178. [10] Sun H, Chen M, ZOU L, et al. Study of the kinetics of pyrite oxida⁃ tion under controlled redox potential[J]. Hydrometallurgy, 2015, 15513-19. [11] 钟 慧,芳蔡文六,李雅芹. 细菌浸锰及其半工业性试验[J]. 微 生物学报, 1990,30(3)228-233. [12] Khalid A M, Bhatti T M, Umar M. An improved solid medium for i⁃ solation, enumeration and genetic investigations of autotrophic iron⁃ and sulphur⁃oxidizing bacteria[J]. Applied Microbiology & Biotech⁃ nology, 1993(39)259-263. [13] 王迪民. 邻菲啰啉显色双波长分光光度法同时测定水中的铁 (Ⅱ)和铁(Ⅲ)[J]. 冶金分析, 1988(3)50-51. [14] 陈尧华,沈叔平,汪小梅. 铁EDTA 络合滴定法[J]. 中国环境 监测, 1987(1)55-59. [15] 韩吉慧,苏文星,梁彦平,等. 硫酸亚铁铵及高锰酸钾滴定法测定 锰矿石中全锰和二氧化锰[C] ∥全国高速分析学术交流会, 2009. [16] Vera M, Schippers A, Sand W. Progress in bioleaching fundamen⁃ tals and mechanisms of bacterial metal sulfide oxidation⁃part A[J]. Applied Microbiology and Biotechnology, 2013,97 (17)7529 - 7541. 38第 5 期曾纪术 多孔金属膜在锌液净化中的应用研究 万方数据