湿法炼锌高铁溶液水热沉铁及铁资源化利用基础研究

The harmful iron slag emissions and their efficient utilization has been paid much attention in zinc hydrometallurgy industry. Basic research on hydrothermal iron precipitation from high iron ion solution and utilization of iron resource will be carried out in the present study to overcome the disadvantages of existing iron precipitaion methods. The key problem to be resolved in this project is the precipitaion mechanism and converse priciple of iron under hydrothermal conditions, and improvement of the quality of iron slag make it meet the demand for raw materials of iron making industry. The specific content in this project contains crystallization and dissolution characteristics of ferrous sulfate in multiple components solution, the coupling relationship between redissolve and oxidation-hydrolysis of ferrous sulfate, thermodynamics and kinetics characteristics of iron sulfate hydrothermal hydrolysis system, and iron phase formation mechanism and conversion principle of iron slag from its unstable phases to stable ones. This will greatly enrich and deepen the basic theory of zinc hydrometallurgy smelting. The green and efficient hydrothermal iron precipitation method will protect the ecological environment and improve the comprehensive utilization of resources, and is also an important measure to reduce heavy metal pollution and relieve the tense situation of zinc iron resources. It also provides theoretical instruction and technological support for utilization of abundant high iron sphalerite resources in our country cleanly and efficiently.

湿法炼锌过程面临的有害铁渣减排及伴生铁资源高效利用已引起行业内高度重视。本研究针对现有湿法炼锌沉铁方法的不足之处提出高铁溶液水热法沉铁及铁资源化利用基础研究；重点解决高铁溶液水热沉铁机理及转化机制，并采用水热转化法提升铁渣品质使其满足工业炼铁对原料的需求，实现铁的资源化利用。具体研究多组元溶液中硫酸亚铁的结晶溶解与氧化水解之间的耦合关系及水热沉铁机理，硫酸铁水热水解体系热力学和动力学特性，铁物相形成机制及水热转化法处理沉铁渣提升其品质过程中铁由亚稳态物相向稳定态物相的转变规律及铁物相间的转变机制。项目极大地丰富和深化加压湿法炼锌基础理论体系，绿色高效的水热沉铁及铁资源化利用工艺具有保护生态环境和提高资源综合利用率的双重意义，是根治重金属污染、缓解锌铁资源紧张局面的重要举措，为清洁高效地开发利用我国储量丰富的高铁闪锌矿资源提供理论指导与技术支撑。

针对湿法炼锌过程产生危废铁渣易造成二次污染且伴生铁资源无法实现资源化利用的行业难题，本项目开展高铁硫酸锌溶液水热赤铁矿沉铁及沉铁渣资源化利用基础研究。水热赤铁矿沉铁过程先经历硫酸亚铁的结晶-返溶，硫酸亚铁结晶成为亚铁氧化水解为赤铁矿的限制性环节。高温低酸浓度下的Fe2O3-SO3-H2O体系中占主导的是FeHSO42+，SO42-和HSO4-都能强烈地与Fe(III)络合，抑制Fe(III)水热水解沉铁过程。Fe(II)氧化水热水解赤铁矿沉铁的优化技术参数为初始Fe2+ 浓度30 g/L 、初始酸浓度接近0 mol/L、温度200℃、氧分压 400 kPa、反应时间180 min、搅拌转速500 r/min，在此条件下沉铁率为95%，获得不含亚稳态铁矾的赤铁矿沉铁渣，其中Fe、S、Na硫含量分别为66.6%、0.92%和0.033%。赤铁矿沉铁渣中的S的来源主要包括铁矾、硫酸盐夹带和SO42- 的不可逆吸附，随着升高反应温度或延长时间可显著降低以铁矾形式存在的S含量。Fe2(SO4)3 ZnSO4H2O体系中，Fe(Ⅲ)浓度对除铁率及赤铁矿形成起决定性作用，升高反应温度、增大Zn2+浓度、添加晶种均有利于Fe(Ⅲ)水热水解为纯净的赤铁矿沉铁渣。高铁闪锌矿协同还原浸出液水热赤铁矿除铁的优化技术参数为：反应温度190℃，晶种用量20 g/L，反应时间3 h，氧分压0.3 Mpa、初始Zn2+浓度100 g/L、初始镁离子浓度10 g/L。在此优化条件下，除铁率可达95%以上，渣含铁高于50%，除铁后溶液含Fe低于2.5 g/L，赤铁矿沉铁渣的浸出毒性和腐蚀性检测结果表明：采用水热沉铁工艺产出的赤铁矿沉铁渣为一般固体废物，赤铁矿渣的堆存不会造成环境污染。赤铁矿沉铁渣中亚稳态铁矾或碱式硫酸铁的存在使导致其硫含量上升的主要原因，通过控制水热沉铁技术条件抑制和转化亚稳态铁物相的形成，从而获得可资源化利用的纯净赤铁矿沉铁渣。本项目对清洁高效地处理我国处理丰富的高铁闪锌矿资源，实现复杂硫化锌资源中有价金属的选择性高效提取、锌铁的高效分离、沉铁渣的资源化利用以及赤铁矿沉铁工艺在国内湿法炼锌行业的推广及应用提供理论指导与技术支撑。