超声强化作用下烧结灰中银的迁移过程及机理研究

Sintering dust, as one of the main solid wastes of iron and steel enterprises, involves generous impurity elements. However, high content of K, Na, Zn, Ag etc. will cause serious operational problems while reusing as the feed material in sintering plant. Therefore, exploring new technology for the comprehensive utilization of sintering dust is one of effective measures to save energy and reduce discharge. This project will investigate the new technology of ultrasonic enhancement for silver leaching from Ag-bearing sintering dust by taking its cavitation for break and disperse the particles. The reaction mechanisms in the process of ultrasonic assisted leaching with acidic thiourea system will be concerned. Based on analysis of techno-mineralogical properties of sintering dust, it will be explored using the means of system experiment, theoretical analysis and numerical simulation that the relationship between sound pressure distribution and solid particles distribution in the reaction system, the electrochemical behavior of the elements dissolution process and the mechanism of intensified leaching due to the effect of ultrasonic wave under different reaction conditions. The successful outcome of this research will provide the theoretical basis for efficient extraction of valuable composition from the sintering dust.

烧结机头电除尘灰作为钢铁企业的主要固体废弃物之一，因其含有大量钾、钠、锌、银等不利于烧结和高炉炼铁的杂质元素而难以实现其返炉利用。因此，研究开发烧结机头除尘灰综合利用新技术、新方法，是钢铁工业节能减排的重要内容之一。本项目以含银烧结灰为研究对象，基于超声波空化对固体颗粒的剥离和分散作用，拟开展酸性硫脲体系中超声强化烧结灰提银新工艺反应机理研究。在获得烧结灰的工艺矿物学特性基础上，着重研究反应体系中声压分布与固体物料分布关联规律，超声波作用下组元溶出过程的电化学行为，超声场中组元强化迁移传递与反应过程机制；通过系统对比实验、理论分析和模拟仿真等手段，获得不同反应条件下操作特性及各过程参数的关联机制，揭示组元迁移过程强化机理；为实现烧结灰中高附加值资源高效提取提供理论基础。

烧结灰来源于高炉炼铁烧结工序中烧结机头电除尘器捕俘的烟尘，每年排放量约在千万吨以上，是钢铁企业的主要固体废弃物之一。因此，研究烧结灰的综合回收利用对钢铁行业健康可持续发展具有重要战略意义。本项目以含银烧结灰为研究对象，基于超声波对包裹体矿相的破坏作用和细小颗粒的分散作用，提出超声强化酸性硫脲体系高效浸出烧结灰中银的思路。在分析烧结灰组成成分、物相、形貌等以及反应体系介质物理特性基础上，采用COMSOL仿真模拟软件研究了超声波频率、功率、浸入液面深度等参数对声场中声压分布的影响，并通过实验验证了一定范围内超声波频率和功率的变化对声压分布无明显影响，但超声探头浸入液面深度5~8厘米对反应体系的空化和机械效应最为有利。向超声波作用下的反应介质中通入空气，疏水性较强的烧结灰颗粒在声流作用下可实现快速分散并与液相充分接触，同时还可提高体系中的溶氧度，对氧化还原反应有利。利用循环伏安法、稳态极化法等研究了银在酸性硫脲体系中的电化学氧化及吸附行为，发现pH与电流密度对银在酸性硫脲体系反应有较大影响，在pH相同情况下，电流密度越大，电极钝化越快，在电流密度相同情况下，pH=1.5时电极达到钝化用时最长，钝化层厚度最厚，银的溶解效果最好。对比研究了常规和超声波两种方式对烧结灰中银的浸出，发现在相同参数条件下，超声波辅助浸出不仅可以提高5%以上的银浸出率，还可以有效减少烧结灰中铁元素的损失，超声波能破坏包裹体矿相、促进细微颗粒聚集体的均匀分散，改善疏水性颗粒的浸润性能，增大固液界面接触面积，从而实现烧结灰中银的强化浸出。浸出动力学研究表明常规浸出和超声波条件下反应的表观活化能分别为28.01 KJ/mol 和 18.19 KJ/mol，说明了超声波的引入，极大地改善化学反应环境，使反应控制步骤所需的能垒变得更小，传质过程得到强化。通过系统研究主要参数对银浸出率的交互影响规律，建立了各响应因子与响应值的数学模型，在最佳工艺参数条件下，银浸出率预测值为96.15%，实验验证银浸出率为95.74%。项目研究结果为超声波在湿法冶金中的应用提供可参考的科学依据，同时也丰富了超声强化复杂矿物提取的机制和理论体系。