真空碳热还原处理铅锌烟尘实验研究

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)红河学院理学院 作者:孙红燕

  以铅冶炼厂烟化段生产的铅锌烟尘为原料利用真空碳热还原法综合回收铅锌。采用X射线衍射、扫描电镜和化学分析等手段研究了铅锌烟尘原料性质、还原产物的物相和显微结构的变化规律。通过热力学计算得出当系统压力从105Pa依次降为104,103,102,10Pa时,ZnO用碳还原的临界温度从1179.35K依次降为990.97,854.48,751.03,669.93K,而PbO用碳还原的临界温度则从554.92K依次降为499.75,454.56,416.86,384.94K。通过实验研究不同配碳比,还原温度,保温时间,得出当系统压力为20Pa,配碳比为2.5,还原温度为1173K时,真空碳热还原处理铅锌烟尘60min能获得较高纯度的铅锌混合物,锌和铅的回收率分别74.99%和42.28%。

  在有色金属、贵金属冶炼及二次金属回收过程中会产生大量含锌铅烟尘。这些烟尘中锌和铅的含量较高,且含有砷、锑和镉等有害成分,简单堆放这些烟尘将会对环境和人类健康造成很大的危害。许多国家已将这些烟尘列为破坏环境的有害物质,不许随地堆放并收堆存费。另一方面,含锌铅烟尘作为生产锌和铅的重要二次资源,对其进行合理的回收利用,将会带来较好的经济效益和社会效益。

  因此,对含锌铅的废料进行综合回收利用是一项很有意义的工作,已引起了人们的广泛关注和高度重视。真空冶金具有能耗低、工艺简单、环境友好等特点从而得到广泛的关注,基于此,利用真空碳热还原原理,本文提出了利用真空碳热还原法处理铅锌烟尘。

热力学分析

  铅锌烟尘中氧化物的碳热还原热力学条件是处理铅锌烟尘回收金属的重要依据,反应(1)和反应(2)是铅锌烟尘中发生的主要反应,根据文献,将各反应在常压下最低反应温度计算,并列于表1。

真空碳热还原处理铅锌烟尘实验研究

表1 常压下用碳还原各氧化物的最低反应温度T0

常压下用碳还原各氧化物的最低反应温度T0

  由表1可知:氧化锌被碳还原需在较高温度条件下,而氧化铅则较容易被碳还原。同时还进行了真空状态下氧化锌、氧化铅碳热还原反应的自由能和反应临界温度计算。计算结果如图1、图2所示。

  由图1知,在真空体系中,随着真空度的提高,反应(1)的吉布斯自由能呈下降趋势,反应较易向正方向进行。同时反应(1)的平衡温度越来越低,当系统压力下降为10Pa时,T0只有669.93K。

反应ZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO(g)的ΔG-T图

图1 反应ZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO(g)的ΔG-T图

反应ZnO(s)+C(s)=Zn(g)+CO(g)的ΔG-T图

图2 反应PbO(s)+C(s)=Pb(l)+CO(g)的ΔG-T图

  由图2知,在真空碳热还原体系中,随着体系真空度的不断提高反应(2)的吉布斯自由能呈下降趋势反应更易进行。同时反应(2)的平衡温度也越来越低,当系统压力下降为10Pa时,T0为384.94K。

结论

  真空碳热还原法处理铅锌烟尘,通过热力学计算可以得出当系统压力从105Pa降为104,103,102,10Pa时,ZnO用碳还原的临界温度从1179.35K依次降为990.97,854.48,751.03,669.93K。而PbO用碳还原的临界温度则从554.92K依降为499.75,454.56,416.86,384.94K。在真空度为20Pa条件下,利用活性炭做还原剂碳热还原铅锌烟尘最佳工艺条件为:配碳比为2.5,还原温度为1173K,保温60min可获得较高纯度的铅锌混合物,锌和铅的回收率分别74.99%和42.28%。

  致谢感谢昆明理工大学真空冶金国家工程实验室杨斌教授的有益讨论。

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