Кинетические закономерности выщелачивания цинка из промпродуктов

Целью работы являлось изучение кинетических закономерностей выщелачивания цинка из соединения CaO. ZnO, образующегося при спекании пыли электродуговых печей с известняком, а также выявление механизмов, по которым протекают химические взаимодействия. Объектом исследования служил спек пыли электродуговых печей с известняком, полученный на Челябинском цинковом заводе. Установлено, что цинк в спеке содержится в виде легкорастворимого CaO. ZnO. Элементный состав исходных пылей и спека с известняком определяли спектральным атомно-эмиссионным способом с использованием различных источников возбуждения спектра: индуктивно-связанной плазмы на оптико-эмиссионном приборе «Spectroblue»; искровой спектрометрии. Фазовый состав материалов изучали на рентгенофазовом дифрактометре «Bruker D8 Advance». Исходный спек измельчали до порошкообразного состояния с размером частиц ~0,04 мм и выходом ~97%-го состава, %: 11,9 Zn; 28,5 Ca; 16,6 Fe; 0,38 Mg; 0,14 Pb; ˂ 0,05 Cl. Опыты по выщелачиванию Zn раствором едкого натра проводили при следующих параметрах: исходная концентрация цинка в пульпе была 0,202 г-ион/дм3; концентрация щелочи ‒ 5‒9 моль/дм3 NaOH; Ж:Т = 9:1; скорость перемешивания пульпы ‒ 10‒20 рад. с-1; температура ‒ 333‒363 К; продолжительность ‒ 0,5–2,5 ч. Показано, что цинк из спека переходит в раствор в виде тетрагидроксоцинката натрия Na2[Zn(OH)4], а кальций остается в кеке, в основном в виде малорастворимого гидроксида Ca(OH)2, который взаимодействует с углекислым газом с образованием нерастворимого карбоната кальция CaСO3. Установлено, что процесс выщелачивания цинка из спека соответствует внешнедиффузионному режиму взаимного переноса исходных реагентов и продуктов реакции через поверхностный слой жидкости на границе раздела фаз «жидкость‒твердое» с величиной энергии активации равной 12,44 кДж/моль. Таким образом, при исследованных параметрах выщелачивания цинка раствором NaOH процесс протекает во внешнедиффузионном режиме. Представляет интерес выявление условий, соответствующих внутридиффузионному и кинетическому режимам выщелачивания цинка.

1. Растянникова Е.В. Вторичное использование ресурсов в металлургической промышленности в России и Китае // Инновации и инвестиции. 2019. № 7. С. 81‒85. EDN: XNRAZG.

2. Казанбаев Л.А., Козлов П.А., Кубасов В.Л., Колесников А.В. Гидрометаллургия цинка. Очистка растворов и электролиз. М.: Руда и Металлы, 2006. 176 с.

3. Cardoso D., Narcy A., Durosoy S., Chevalier Y. The pH dependence of dissolution kinetics of zinc oxide // Colloids and Surfaces A: Physicochemical and Engineering Aspects. 2022. Vol. 650. Р. 129653. https://doi.org/10.1016/j.colsurfa.2022.129653.

4. Cardoso D., Narcy A., Durosoy S., Bordes C., Chevalier Y. Dissolution kinetics of zinc oxide and its relationship with physicochemical characteristics // Powder Technology. 2021. Vol. 378. Part B. P. 746‒759. https://doi.org/10.1016/j.powtec.2020.10.049.

5. Huang Yukun, Duan Zhuo, Bai Ningning, Wang Huijuan, Cao Yijun, Song Xiangyu, Peng Weijun, et al. Highly selective dissolution and synchronous extraction of zinc from zinc-cobalt slag by an ionic liquid [Hbet][Tf2N]–H2O system: а novel method for separating zinc and cobalt // Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 315. Р. 128301. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.128301.

6. Kromm V., Hanreich A., Romeo A. 23. Dissolution kinetics of zinc, copper, and manganese sources in rumen fluid // Animal ‒ science proceedings. 2022. Vol. 13. Iss. 1. P. 14‒15. https://doi.org/10.1016/j.anscip.2022.03.024.

7. Al-Harahsheh M., Altarawneh S., Al-Omari M. Selective dissolution of zinc and lead from electric arc furnace dust via oxidative thermolysis with polyvinyl chloride and water-leaching process // Hydrometallurgy. 2022. Vol. 212. Р. 105898. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2022.105898.

8. Wu Hangmi, Li Jiangling, Teng Wenxin, Chen Yangfan, Liu Weizao, Ren Shan, et al. One-step extraction of zinc and separation of iron from hazardous electric arc furnace dust via sulphating roasting-water leaching // Journal of Environmental Chemical Engineering. 2023. Vol. 11. Iss. 6. Р. 111155. https://doi.org/10.1016/j.jece.2023.111155.

9. Ye Fu, Li Minting, Su Song, Xia Haitao, Wei Chang, Li Xingbin, et al. Separation and recovery of zinc from blast furnace dust via coordination leaching of Cl− and hydrolysis of NH4 + // Separation and Purification Technology. 2024. Vol. 330. Part B. Р. 125361. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125361.

10. Luo Xingguo, Wang Chenyu, Shi Xianguo, Li Xingbin, Wei Chang, Minting Li, et al. Selective separation of zinc and iron/carbon from blast furnace dust via a hydrometallurgical cooperative leaching method // Waste Management. 2022. Vol. 139. P. 116‒123. https://doi.org/10.1016/j.wasman.2021.12.007.

11. Yang Xue, Xiaoming Liu, Na Zhang, Song Guo, Zhiqing Xie, Chunbao Xu. A novel process for the treatment of steelmaking converter dust: Selective leaching and recovery of zinc sulfate and synthesis of iron oxides@HTCC photocatalysts by carbonizing carbohydrates // Hydrometallurgy. 2023. Vol. 217. Р. 106039. https://doi.org/10.1016/j.hydromet.2023. 106039.

12. Xin Chunfu, Xia Hongying, Jiang Guiyu, Zhang Qi, Zhang Libo, Xu Yingjie, et al. Mechanism and kinetics study on ultrasonic combined with oxygen enhanced leaching of zinc and germanium from germanium-containing slag dust // Separation and Purification Technology. 2022. Vol. 302. P. 122167. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2022.122167.

13. Ding Wei, Bao Shenxu, Zhang Yimin, Xiao Junhui. Mechanism and kinetics study on ultrasound assisted leaching of gallium and zinc from corundum flue dust // Minerals Engineering. 2022. Vol. 183. Р. 107624. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107624.

14. Zhang Limin, Wang Yunyan, Ke Yong, Sun Zhumei, Li Yun, Peng Cong, et al. Facile and complete sulfuric acid leaching of zinc ferrite assisted by copper powder: leaching mechanism and kinetics investigation // Separation and Purification Technology. 2024. Vol. 328. Р. 125090. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2023.125090.

15. Wang Xin, Zhong Yiwei, Kang Yuzheng, Gao Jintao, Guo Zhancheng. Promoted acid leaching of Zn from hazardous zinc-containing metallurgical dusts: focusing on transformation of Zn phases in selective reduction roasting // Process Safety and Environmental Protection. 2022. Vol. 163. P. 353‒361. https://doi.org/10.1016/j.psep.2022.05.046.

16. Xin Chunfu, Xia Hongying, Zhang Qi, Zhang Libo, Zhang Wei. Leaching of zinc and germanium from zinc oxide dust in sulfuric acid-ozone media // Arabian Journal of Chemistry. 2021. Vol. 14. Iss. 12. Р. 103450. https://doi.org/10.1016/j.arabjc.2021.103450.

17. Lijuan Jia, Zhong Yingying, Li Kai, Li Bin, Gao Jiyun, Liu Tiancheng, et al. Recovery of zinc resources from secondary zinc oxide via composite ammonia leaching: аnalysis of Zn leaching behavior // Chemical Engineering Journal. 2023. Vol. 472. Р. 144930. https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144930.

18. Khodaei H., Haghshenas D.F., Firoozi S. Selective leaching of zinc from carbonate source using glycine as an ecofriendly lixiviant // Minerals Engineering. 2022. Vol. 185. P. 107680. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2022.107680.

19. Fan Yangyang, Liu Yan, Niu Liping, Zhang Weiguang, Zhang Zimu. Reductive leaching of indium from zincleached residue using galena as reductant // Minerals Engineering. 2021. Vol. 163. Р. 106777. https://doi.org/10.1016/j.mineng.2021.106777.

20. Zhang Tianfu, Liu Wei, Han Junwei, Wu Guiting, Jiao Fen, Qin Wenqing. Selective separation of calcium from zinc-rich neutralization sludge by sulfidation roasting and HCl leaching // Separation and Purification Technology. 2021. Vol. 259. Р. 118064. https://doi.org/10.1016/j.seppur.2020.118064.

21. Roshanfar M., Khanlarian M., Rashchi F., Motesharezadeh B. Phyto-extraction of zinc, lead, nickel, and cadmium from a zinc leach residue // Journal of Cleaner Production. 2020. Vol. 266. Р. 121539. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.121539.

22. Zhou Siyu, Liao Xiaojian, Li Shoupeng, Fang Xiaodi, Guan Zhijie, Ye Maoyou, et al. A designed moderately thermophilic consortia with a better performance for leaching high grade fine lead-zinc sulfide ore // Journal of Environmental Management. 2022. Vol. 303. Р. 114192. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.114192.

23. Li Changbin, Zhang Guofan, Zheng Hong, Zhang Feng, Liu Kun. Study on glass-ceramic prepared by zinc leaching residue and solidification mechanism of heavy metals // Journal of Cleaner Production. 2023. Vol. 426. Р. 139021. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2023.39021.

24. Касымова А.С., Абишева З.С., Жумартбаев Э.У., Пономарева Е.И. Кинетика выщелачивания галлия серной кислотой из фосфорсодержащего продукта // Известия вузов. Цветная металлургия. 1990. № 6. С. 72‒75.

25. Чиркст Д.Э., Черемисина О.В., Чистяков А.А., Балян Г.А. Кинетика выщелачивания цинка из шлака свинцово-медного производства // Известия вузов. Химия и химическая технология. 2006. Т. 49. № 10. С. 35‒38. EDN: HVODQD.