高镉锌真空蒸馏分离锌镉的研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)昆明理工大学真空冶金国家工程实验室 作者:闫华龙

  对高镉锌真空蒸馏分离锌、镉进行了理论分析和实验研究,考察了蒸馏温度、保温时间对锌、镉分离效果的影响。理论研究表明:在真空条件下高镉锌中的锌与镉具有分离的可能性。实验结果表明:提高蒸馏温度和延长保温时间,都有利于提高金属镉的直收率,但均会降低挥发物中镉的纯度;当系统压力保持在30 Pa 时,蒸馏温度为400℃,保温时间为60 min条件下,挥发物中的镉纯度为96.5 %,镉直收率为60.1 %,残余物中锌纯度为87.42 %;并在实验研究结果中验证了多次蒸馏可提高挥发物中镉的纯度,三次蒸馏挥发物中的镉纯度可达99.99 %。此工艺为真空蒸馏分离高镉锌中锌与镉提供新的方法,对采用真空蒸馏法处理高镉锌具有一定的指导意义和应用价值。

  在锌火法精炼过程中,由于冶炼原料与操作制度的差异,会产出一种含镉2. 26% ~82.57% 的锌镉合金,这种合金通常被称为高镉锌,是提取金属镉的一种重要原料。

  目前高镉锌一般采用湿法或常压精馏法处理。湿法主要有溶剂萃取法、离子浮选法、液膜分离法、离子交换法、化学沉淀法等。溶剂萃取法是一种相对成熟的分离技术,但萃取剂多为易挥发、有毒和易燃的物质,对环境影响较大;离子浮选法受影响因素很多,浮选难以标准化;液膜分离法应用潜力很大,但存在液膜的稳定性、乳状液膜的溶胀和破乳等问题;离子交换法处理成本较高,操作复杂;化学沉淀法存在共沉淀明显、处理浓度低、金属分离系数小等缺点。常压精馏法提取镉是采用精馏塔控制精馏温度分离高沸点的杂质制得粗镉,粗镉中残余的锌须加NaOH 和NaNO3进行碱性精炼除去,此法流程长、工艺复杂。由于在常压条件下进行,所以锌与镉分离效果较差。

  自20 世纪50 年代以来,真空蒸馏法被应用于合金分离,真空蒸馏法具有清洁环保,流程短,回收率高等优点。昆明理工大学李淑兰等利用真空蒸馏的方法对锌镉分离进行了相关的研究,得出蒸馏温度为450 ~500℃,真空度为20 ~30 Pa 和熔体深度8.2 mm 条件下,保温20 min,镉与锌就能显著分离,但蒸馏温度和保温时间对分离效果的影响未讨论。本文在此基础上采用真空蒸馏法处理高镉锌分离回收锌镉进行了实验研究,着重考察蒸馏温度、保温时间及蒸馏次数对锌镉真空分离效果的影响,为高镉锌真空分离镉锌提供较完整理论依据和可行的实验条件。

  1、原理

  锌和镉能否采用真空蒸馏的方法分离可以从锌镉纯金属饱和蒸气压及气液相平衡图加以判断。

  1.1、纯金属饱和蒸气压判据

  饱和蒸气压大的金属,在合金挥发过程中优先挥发,且相差越大,分离效果越好,因此可由锌镉饱和蒸气压之比表征分离可能性,纯金属蒸气压可用简化的克劳修斯-克莱普朗方程计算得到,通过计算可得到不同温度条件下的锌镉饱和蒸气压,lgp-T 图如图1 所示。

高镉锌真空蒸馏分离锌镉的研究

图1 金属饱和蒸气压与温度的关系

  由图1 可知,在350 ~700℃ 温度范围内,金属镉的饱和蒸气压比锌的饱和蒸气压大,说明镉相对于锌优先挥发;随着蒸馏温度的升高,锌镉饱和蒸气压比呈下降趋势,如350℃ 时,蒸气压的比值为13.9,而700℃时,仅为4.72,说明蒸馏温度越低,越有利于锌镉分离。

  1.2、气液相平衡图判据

  在不同温度下,Cd 与Zn 一次真空分离程度可通过气液相平衡成分计算进行定量估计。据文献查得Zn-Cd 系锌镉在800 K 时的活度系数。若忽略温度对活度系数的影响,可以得到不同温度下,不同原料成分的气液相平衡图,如图2 所示。由图2 可知,随蒸馏温度的升高,气相中镉的含量逐渐降低,且气相中的镉含量随液相中的镉含量升高而升高,因此降低蒸馏温度和提高液相中的镉含量均能使气相中的镉含量升高,在蒸馏温度为350℃,液相中镉摩尔分数为30% 时,气相中的镉摩尔分数高于91%。由此可知,采用真空蒸馏法处理高镉锌可以实现Zn 和Cd 分离,Cd 在真空蒸馏过程中富集于气相并可在挥发物中获得纯度高的金属Cd,Zn 在液相中富集可在残留物中获得品位高的金属Zn。由以上分析可得,在真空度为30 Pa 条件下,综合考虑蒸馏温度应控制在350 ~450℃之间,锌与镉可进行分离。

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图2 Zn-Cd 系Cd 的气液相平衡图

  4、结论

  (1) 在380 ~420℃温度范围内,从锌镉纯金属饱和蒸气压方面以及气液相平衡图方面进行理论分析,证明了采用真空蒸馏法分离锌镉是可行的。

  (2) 从实验结果来看,在380 ~420℃温度范围内,提高蒸馏温度和延长保温时间,都有利于金属镉的挥发,但会使带出的金属锌量增加,使挥发物中镉纯度降低。

  (3) 最佳实验条件为:当真空度保持在30 Pa时,蒸馏温度为400℃和保温时间为30 min。挥发物中的镉纯度为96.5%,镉的直收率为60.1%,残余物中锌纯度为87.42 %。

  (4) 多次蒸馏可以提高挥发物中镉的纯度,含镉量96.5% 的合金经两次蒸馏之后,可以获得99.99%精镉。

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