УДК 669.334
ИССЛЕДОВАНИЕ ЗАКОНОМЕРНОСТЕЙ ВЫЩЕЛАЧИВАНИЯ ЦИНК-СВИНЕЦСОДЕРЖАЩЕГО КЕКА
© Шаймардан Нуржан1, e-mail: Nurjan2010@mail.ru; Куленова Наталья Анатольевна1, канд. техн. наук, e-mail: nkulenova@ektu.kz;
Мамяченков Сергей Владимирович2, д-р техн. наук, проф., e-mail: svmamyachenkov@yandex.ru;
Анисимова Ольга Сергеевна2, канд. техн. наук, e-mail: osanis@mail.ru
1 Восточно-Казахстанский государственный технический университет им. Д.Серикбаева. Казахстан, г. Усть-Каменогорск
2 ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург
Статья поступила 17.06.2015 г.
Объектом исследования являлись промпродукты цинкового производства, содержащие свинец, цинк, железо, медь, серебро. Проведен термодинамический анализ всех вероятных превращений при выщелачивании в серной кислоте, построена диаграмма Пурбэ. Исследование по вскрытию свинецсодержащих промпродуктов осуществляли в две стадии: первая - выщелачивание раствором серной кислоты плотностью 250 г/дм3 (Т:Ж = 1:4) при температуре 80 °С в течение 2 ч. На второй стадии промытый кек выщелачивали раствором комплексообразователя (трилона Б) с целью максимального перевода свинца в жидкую фазу. Условия выбраны на основе результатов опытов по оптимизации процесса методом планирования эксперимента, из анализа поверхностей отклика, моделирующих зависимости степени выщелачивания от плотности пульпы и концентрации комплексообразователя.
Ключевые слова: цинково-свинцовый кек; выщелачивание; серная кислота; диаграмма Пурбэ; комплексообразователь; оптимизация.
Одним из основных свинецсодержащих промпродуктов являются свинцовые кеки цинкового производства, переработка которых экономически и экологически целесообразна.
Свинцовые кеки образуются в цинковом производстве при выщелачивании вельцоксидов. В них присутствуют оксиды цинка, свинца, а также соединения железа, меди, серебра, олова, никеля и других металлов. При сернокислотном выщелачивании эти компоненты переходят в раствор, а ферриты, силикаты цинка и минералы пустой породы не растворяются, загрязняя и разубоживая образующийся свинцовый кек [1].
Известно довольно большое количество работ, посвященных гидрометаллургической переработке свинецсодержащего сырья, включающих выщелачивание в растворах кислот, щелочей и солей [2-9].
В данной работе представлены результаты поисковых опытов по исследованию возможности применения органических растворителей при выщелачивании свинцовых кеков, содержащих свинец, цинк и серебро. Химический состав свинцового кека, мас. %: РЬ - 13,51; 2п - 9,14; Бе - 7,72; Си - 0,042; Ag - 268 г/т.
На первой стадии выщелачивания проведены эксперименты по сернокислотному извлечению оксидных, ферритных и силикатных цинксодержащих фаз.
Уральский
федеральный
университет
mini первого Президента ЙЩнк E.H.El4l»*U Инпитут
■ мтш^гл
Опыты по выщелачиванию исследуемого промпродук-та проводили на стандартной установке, состоящей из термостатированного реактора с механической мешалкой и рН-метра. Пульпу фильтровали и определяли содержание металлов в кеке и растворе.
Вероятные реакции, происходящие на поверхности растворяющихся частиц при выщелачивании свинцового кека серной кислотой:
2п0 + И2Б04 ^ 2пБ04 + Н20, РЬО + И2804 ^ РЬБ04 + Нр, 2пБЮ, + И ^ 2пБ0д +
3 2 4 4
+ И2БЮ3,
РЬБЮ, + И £0, ^ РЬБ0 +
3 2 4 4
+ и2БЮ3,
2пБе02 + 2И2Б04 ^ 2пБ04 + + БеБ04 + 2И20, РЬБе02 + 2И2Б04 ^ РЬБ04 + + БеБ04 + 2И20. На базе этих реакций определены основные твердые фазы и ионы, образующие гетерогенные системы, соответствующие реальному составу («кек - серная кислота»), которые использованы для расчета диаграмм Пурбэ, характеризующих равновесные состояния продуктов выщелачивания в зависимости от рН и окислительно-восстановительного потенциала (ЕЬ). Диаграмма Пурбэ для системы 2п-РЬ-Бе-8-И20 представлена на рис. 1. Анализ диаграммы Пурбэ показал, что при сернокислотном выщелачивании свинцовых кеков вероятно протекание реакций с образованием в растворе сульфатов цветных металлов, серебра и железа. Эффективное взаимо-
2,0 1,5 1,0 0,5
« 0,0
|4
-0,5 -1,0 -1,5
-2,0
п ь ; п Зь
РеОН(+а) * пО2(-2а) РЬ ОН)2
Ре(+2а) - 2п(+2а) >Н(+а) I ьО*РЬЗО4
6
рн
10
12
14
Рис. 1. Диаграмма Пурбэ для системы 2п-РЬ-Бе-8-И20
действие соединений цинка с серной кислотой возможно только в кислой области рН при начальном потенциале БЬ не менее 1,0 В, что соответствует начальной концентрации серной кислоты 1 моль/дм3.
Основной формой присутствия свинца в растворе является сульфат, растворимость которого 1,3-10-4 моль/дм3. В слабокислой области (рН > 3,5-4,0) вероятно образование гидроксосо-единений железа, которые также образуют новую твердую фазу, увеличивая количество остатка. Формирование новой твердой фазы на поверхности частиц растворяющегося кека определяет внутридиффузионный контроль этой стадии.
На второй стадии выщелачивания в качестве растворителя использовали динатриевую соль этилендиаминтетрауксусной кислоты (ЭДТА), концентрацию которой варьировали в пределах 20-140 г/дм3. Температуру в опытах поддерживали постоянной (25 °С), Ж:Т = (4:1)-(8:1), продолжительность выщелачивания 1 ч. Пульпу после
Рис. 2. Зависимость извлечения свинца и цинка в раствор от плотности пульпы и концентрации растворителя при выщелачивании раствором трилона Б (ТБ)
выщелачивания фильтровали, раствор анализировали на содержание свинца и цинка с использованием масс-спектрометра с индуктивно-связанной плазмой. Остаток от выщелачивания подвергали двукратной фильтр-репульпационной отмывке дистиллированной водой (Ж:Т = 1), при температуре 25 °С, продолжительность каждой из отмывок составляла 15 мин. Отмытый после выщелачивания остаток сушили и анализировали на содержание свинца, цинка и серебра.
На основе полученных результатов сформирована матрица планирования эксперимента (см. таблицу), в которой за функцию отклика У приняты величины извлечения свинца и цинка. Варьируемые параметры: Х1 - соотношение этилен-диаминтетраацетатного раствора (триалона Б) и исходного кека (Ж:Т = 4-20), Х2 - концентрация комплексообразователя (40-100 г/л) при фиксированном рН = 7, величина которого выбрана экспериментально из результатов потенциометрическо-го титрования. С целью оптимизации параметров выщелачивания в программе БТЛТКТГСЛ 7.0 построили поверхности, характеризующие зависимость извлечения в раствор от концентрации три-лона Б (х) и плотности пульпы (у) в нейтральной среде при рН = 7 для свинца и цинка (рис. 2).
Поверхность, описывающая взаимное влияние Ж:Т и концентрации растворителя, имеет две заметных области максимального (96-98%) извлечения свинца в раствор: при высоких значениях Ж:Т и высоких концентрациях растворителя. Седловидный характер зависимости извлечения от концентрации (см. рис. 2, а) обусловлен, вероятно, пределом растворимости продукта ком-плексообразования при максимальной концентрации растворителя. Извлечение свинца в насыщенном растворе продукта реакции тормозится диффузией ионов свинца через концентрированную пленку комплекса на поверхности кека.
Поверхность, описывающая извлечение цинка в раствор в зависимости от плотности пульпы (Ж:Т) и концентрации растворителя (см. рис. 2, б), демонстрирует результат взаимного влияния
0
2
4
8
Зависимость извлечения свинца и цинка в раствор при выщелачивании раствором трилона Б в различных условиях (матрица планирования эксперимента) при рН = 7
Ж:Т (Х1) Концентрация трилона Б (Х2), г/дм3 Извлечение свинца, % Извлечение цинка, %
8 40 83 34
20 40 19 8
8 60 89 39
20 60 93 58
8 80 92 44
20 80 97 62
4 100 64 37
8 100 96 49
20 100 98 64
двух факторов на функцию отклика. Максимум монотонно достигается при увеличении значений обоих факторов. Максимальное извлечение цинка (при рН = 7) в реальном выражении достигает 58-62%, что вписывается в пределы растворимости комплексоната цинка.
Выводы. 1. Выщелачивание промпродукта в серной кислоте позволяет извлечь цинк из оксидных, ферритных и силикатных фаз, при этом свинец образует новую твердую сульфатную фазу, увеличивающую содержание его в остатке.
2. Извлечение свинца в раствор при выщелачивании раствором трилона Б достигает 96-98% и ограничено только растворимостью образующегося комплексона.
3. Влияние концентрации трилона Б на извлечение свинца и цинка в раствор описывается прямолинейной зависимостью: с ростом концентрации растворителя пропорционально возрастает извлечение компонентов. Максимальная концентрация трилона Б, равная 100 г/л, выбрана из соображений растворимости продуктов реакции: с ростом концентрации растворителя пропорционально возрастает извлечение компонентов.
4. Как следует из полученных данных, разбавление пульпы приводит к увеличению извлечения при рН = 7 свинца до 96%, а цинка до 52%. Уменьшение плотности пульпы до значений Ж:Т = 20:1 в нейтральной среде приводит к резкому увеличению извлечения свинца в раствор при комнатной температуре - до значений, близких к 100%.
Библиографический список
1. Казанбаев Л.А., Козлов П.А., Кубасов В.Л. Гидрометаллургия цинка. Процессы выщелачивания. М. : Руда и металлы, 2007. 120 с.
2. Струнников С.Г., Козьмин Ю.А. Гидрометаллургические схемы переработки свинцовых концентратов // Химия в интересах устойчивого развития. 2005. № 13. С. 483-490.
3. Маргулис Е. В., Ходов Н. В. Гидрометаллургическое извлечение свинца из свинцовых кеков и пылей // Цветные металлы. 1990. № 6. С. 29-30.
4. Raghavan R., Mohanan P. K., Swarnkar S. R. Hydrometallurgical processing of lead-bearing materials for the recovery of lead and silver as lead concentrate and lead metal // Hydrometallurgy. 2000. Vol. 58, No. 2. Р. 103-116.
5. Ferracin. L.C., Chacon-Sanhueza A.E., Davoglio R.O. et al. Lead recovery from a typical Brazilian sludge of exhausted lead-acid batteries using an electrohydrometallurgical process // Hydrometallergy. 2002. Vol. 65, No. 2/3. Р. 137-144.
6. Тарасов А.В., Бессер А.Д., Мальцев В.И., Сорокина В.С. Металлургическая переработка вторичного свинцового сырья / Под ред. д-ра техн. наук, проф. А.В.Тарасова. М. : Гинцветме
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.