锌窑渣在酸性含砷溶液中氧化溶解的界面化学反应机理研究

The harmless treatment of arsenic-containing acid wastewater and the comprehensive utilization of zinc waelz-kiln slag were core problems of smelting enterprises. In order to overcome the dificiency of conventional methods in arsenic-containing acid wastewater treatment and zinc waelz-kiln slag treatment, a synergistic treatment of arsenic-containing acid wastewater and zinc waelz-kiln slag was proposed. The key problem to be resolved in this project is a mechanism of “gas-liquid-solid” interfacial chemical reaction which occurs in the dissolution process of zinc waelz-kiln slag with arsenic-containing acid wastewater. The thermodynamic diagram of oxidation and decomposition of zinc waelz-kiln slag with combined arsenic-containing acid wastewater will be obtained on the basis of mineral phase composition of copper and iron, mineral composition and structure. The leaching behavior, chemical reaction property and optimized technical parameters among complex copper and iron compounds, and its dynamic parameters and the leaching kinetics model to be determined will be studied and established. Meanwhile, the mechanisms for the heterogeneous conversion dissolution reaction, the mutual conversion and transmission, will be investigated. This will greatly enrich and deepen the basic theory of “gas-liquid-solid” interfacial chemical reaction. It also provides theoretical instruction and technological support for utilization of arsenic-containing acid wastewater and zinc waelz-kiln slag cleanly and efficiently.

针对现有污酸及锌窑渣处理工艺的不足，本项目抓住污酸无害化处理与锌窑渣资源化利用这两个核心问题，从污酸及锌窑渣各自的基本物理化学特性出发，重点研究锌窑渣在酸性含砷溶液中氧化溶解的“气-液-固”三相界面化学反应，阐明氧化溶解过程中元素迁移行为、物相转变过程和动力学规律，建立“气-液-固”三相反应模型。在目标元素赋存状态和高温溶液热力学性质的研究基础上，本项目研究锌窑渣中复杂铁、铜化合物与污酸中酸、砷的相互作用关系，揭示反应过程中元素间电子的转移路径，明确强化溶解过程的关键因素，确立锌窑渣在酸性含砷溶液中氧化溶解的调控机制，形成“污酸-锌窑渣”协同处理新技术，同步实现污酸中砷、酸的脱除与锌窑渣中有价金属资源的综合回收，为污酸与锌窑渣清洁经济处理提供理论指导与技术支撑。

锌窑渣中含有大量有价金属，目前多采用堆存法处理，造成了有价金属的浪费和土地资源的占用。污酸的酸度高、砷浓度大，重金属离子含量大，成分复杂，对污酸的不当处理会对我国生态环境及人民生命财产安全造成巨大威胁。本项目针对污酸无害化处理与锌窑渣资源化利用这两个核心问题，从污酸及锌窑渣各自的基本物理化学特性出发，研究了锌窑渣中复杂铁、铜化合物与污酸中酸、砷的相互作用关系，明确了强化溶解过程的关键因素，确立了锌窑渣在酸性含砷溶液中氧化溶解的调控机制，形成了“污酸-锌窑渣”协同处理新技术，主要的研究结论如下：.1）锌窑渣中主要含铁、铜、硅、硫等元素，其中铁主要以赤铁矿、磁铁矿和单质铁的形式存在，铜主要以黄铜矿和铜蓝等复杂铜硫物相的形式存在；将锌窑渣与污酸进行氧化浸出，经二段逆流浸出后铁、铜、锌的浸出率分别达99.35%、93.55%、95.15%。浸出渣中主要物相为二水硫酸钙、焦炭和二氧化硅，浸出渣中的硫主要以单质的形式存在，浸出渣中银品位富集至476.7g/t，可作为提银原料。毒性浸出实验结果表明浸出渣无毒性、无腐蚀性，可作为一般固体废弃物处理。.2）研究了氧化浸出过程中铜的浸出行为及动力学，结果表明污酸浸出窑渣过程中铜的浸出行为符合固体产物层内扩散和界面化学反应混合控制模型，浸出动力学方程为[ln(1-X)]/3-1+(1-X)-1/3=130.2[C(L/S)]1.011×[d0]-1.505×[p]0.749×exp[-32820/(RT)]×t，反应的表观活化能为32.82 kJ/mol。提升体系的氧分压、扩大液固比及减小窑渣粒径能有效提高铜的浸出速率。.3）针对浸出后液中砷、酸的脱除及有价金属的进一步提取，在常压、反应温度90℃的条件下，溶液中95%以上的砷以晶型臭葱石的形式从溶液中脱除，毒性浸出检测结果表明，砷的浸出浓度为3mg/L左右，符合国家规定标准。采用铁粉置换法对沉砷后液中的砷、铜进一步脱除，结果表明加入铁粉能有效回收溶液中的铜元素，沉铜渣中的主要物相为Cu3As和Cu2O。.本项目针对湿法炼锌窑渣和污酸的物化特性，对二者进行联合处理，在高效脱除污酸中砷、酸的同时实现了窑渣中有价金属的资源化利用，达到了以废治废、清洁处理的目的。