一种用超声波净化硫酸锌溶液的方法及装置与流程

本发明属于湿法炼锌中硫酸锌溶液的净化
技术领域：
，具体地说，涉及一种用超声波净化硫酸锌溶液的方法及装置。
背景技术：
：金属锌具有良好的压延、耐磨和抗腐性，能与多种金属制成性能更加优良的合金，锌的消费仅次于铜和铝，锌主要用于镀锌(46％)、制造铜合金(15％)、制造锌合金(15％)、氧化锌类产品(11％)、制造电池(13％)等。锌主要采用湿法的方法制取，随着锌金属资源的日益匮乏以及锌消费量的增加，如何降低湿法炼锌的成本和锌金属的二次利用显得尤其重要。锌浸出液是生产电解锌的中间原料，含有大量杂质，如：cu、cd、ni、co、ge、sb等，这些杂质对后续电解工序的电流效率及电解锌的质量影响很大。为了除去这些杂质在净化过程中需大量使用高质量的锌粉，由于锌粉消耗在锌冶金加工成本中约占20％，并且锌粉实际消耗为理论消耗量的数10倍到上100倍，因此，保持锌粉活性、降低锌粉用量，对于锌冶金而言具有重要的作用。在锌焙砂浸出液中，杂质主要为两类，第一类为影响产品质量的杂质如fe、cu、cd，第二类为影响电积过程杂质如as、sb、ni、co、ge、f和cl等。第一类杂质中的fe在浸出末期已通过调整溶液的ph值水解除去，对于cu和cd，一般采用电炉锌粉进行置换沉淀去除，这一操作在净化的第一阶段完成；对于第二类杂质中的as、sb、ge、in基本上随fe中和水解一起被水解、吸附而除去，溶液中残留难水解的ni和co，尤其是co很难除去，为尽可能的除去溶液中的ni、co，大多采用锑盐净化工艺，在锌粉作为还原剂的条件下，利用锑盐(包括酒石酸锑钾、锑白等锑化合物)除镍钴，这一操作在净化的第二阶段完成。锑盐除钴工艺，通过锌粉发生置换反应，将硫酸锌溶液电位降低并维持在较负的电位区，使钴离子与锑盐反应，生成cosb化合物。当锌粉的活性和量都足以维持低的电位区(-1.0～-0.5v)时，cosb稳定存在，当锌粉置换反应不足以维持低的电位区时，cosb又发生复溶，为了防止cosb的复溶就需要大量补充锌粉。锌粉在除ni、co中的用量占锌粉总耗量的80％以上，而在除co过程中的锌粉用量占总锌粉用量的60％左右。因此，如何提高锌粉活性对硫酸锌溶液净化过程的节能降耗至关重要。研究表明，锌粉颗粒进入硫酸锌溶液后，与溶液中的ni和co离子接触，在锌粉颗粒表面发生置换反应，置换出的金属镍和钴等杂质以固态的形式残留在锌粉颗粒表面，随着置换反应的进行，整个锌粉颗粒表面全被ni和co所覆盖，造成包裹的内部锌粉不能被有效利用，从而造成锌粉消耗量大、成本高。同时，锌粉置换反应将溶液中的氢离子还原成氢气，溶液ph值趋向上升，促使碱式锌盐(包括zn(oh)2)生成，在锌粉表面形成钝化膜，使锌粉降低或失去活性。为减弱或消除碱式锌盐钝化膜的负面影响，锑盐除镍钴工艺需采用高强度机械搅拌，ph控制在3～5、温度控制在75℃～85℃，但锌粉实际消耗依然为理论消耗的100～200倍，占到电锌产量的3～5％。在第二段净化完成后为了除去复溶的杂质，还需采取第三阶段净化，继续加锌粉置换除杂。在硫酸锌溶液的净化的三个阶段都需添加高质量的锌粉，因此，在硫酸锌溶液净化过程中使锌粉保持活性、提高置换反应的效率一直是湿法炼锌行业研究和有待突破的关键技术。针对硫酸锌溶液净化工序，本发明在大量实验的基础上开发了一种用超声波净化硫酸锌溶液的方法及装置，旨在改善溶液中锌粉活性、提高置换反应效率、降低溶液中杂质含量和降低湿法炼锌的生产成本等。技术实现要素：本发明针对现有硫酸锌溶液净化工艺过程中普遍采用锌粉置换溶液中的杂质，杂质被置换后大量沉积于锌粉表面，使锌粉表面被全部或大部分被杂质元素覆盖，锌粉活性大大降低直至完全失效所导致的净化效率低、锌粉用量大、置换出来的杂质不纯等问题，提供一种用超声波净化硫酸锌溶液的方法及装置，为解决上述技术问题，本发明采用技术方案的基本构思是：一种用超声波净化硫酸锌溶液的方法，硫酸锌溶液依次经过一段净化、二段净化、三段净化，在三个净化阶段的过程中用超声波射入溶液。在硫酸锌溶液净化的整个过程中引入超声波，利用超声波的力学、热学、光学、电学和化学等效应使净化过程的添加物充分分散、使净化过程高效完成，使置换出来的杂质从锌粉表面脱落，使锌粉始终保持活性。具体步骤：步骤1，一段净化；用换热器把硫酸锌溶液升温至60～80℃，锌粉加入调浆槽中与硫酸锌溶液进行调浆，然后采用输送泵将调浆后的硫酸锌溶液送入一段净化槽，开启超声波发生器在一段净化槽内反应20min；步骤2，二段净化；一段净化后液经输送泵送入二段净化槽，温度控制在60～80℃，加入锌粉、硫酸铜和锑白粉，开启超声波发生器在二段净化槽内反应20min；步骤3，三段净化；二段净化后液经输送泵送入三段净化槽，温度控制在60～80℃，加入锌粉，开启超声波发生器在三段净化槽内反应20min，得到净化液；其中，一段净化槽、二段净化槽、三段净化槽结构相同，超声波发生器安装在净化槽内，超声波的频率为20～50khz，声强为200～800w/cm2，作用周期5min，周期内开超声波4min、停超声波1min，往复循环。进一步地，所述硫酸锌溶液中铜离子浓度小于150mg/l、镉离子浓度小于1000mg/l、镍离子浓度小于100mg/l、钴离子浓度100mg/l，其它杂质达标，ph为3～5。进一步地，步骤1中，锌粉的加入量为硫酸锌溶液中杂质cu+cd含量的1.2～1.4倍。进一步地，步骤2中，锌粉的用量为除cu、cd后液中杂质co+ni含量的30～50倍，硫酸铜的用量为20mg/l，锑白粉的用量为5mg/l。进一步地，步骤3中，锌粉的用量为0.6～1.5g/l。净化过程中利用超声波对硫酸锌溶液进行超声波照射，使超声波射入硫酸锌溶液，在溶液中产生超声空化效应，伴随产生的高速射流去除硫酸锌溶液中包裹在锌粉表面的钝化膜，使锌粉始终保持新鲜的活性表面，从而强化锌粉置换反应的作用过程。同时，超声波对杂质晶粒进行振动清洗，使其始终保持新鲜的活性表面，从而强化晶粒间的结晶作用，进一步促进杂质金属间化合物的生成反应，加速除净化过程。一种用超声波净化硫酸锌溶液的装置，该装置为净化槽，净化槽包括槽体、槽盖、超声波发生器、传动装置、搅拌轴、搅拌桨叶，所述槽体设有凹腔，槽盖用于封堵凹腔口，所述槽体侧壁设有进液口、放空口、出液口，所述搅拌轴一端与传动装置连接，另一端穿过槽盖中部伸入到凹腔内，所述搅拌桨叶安装在搅拌轴上，所述超声波发生器至少为一个，设置在槽体的内壁上，超声波发生器与超声波电源电连接。进一步地，所述进液口与放空口设置在同一竖向上，且进液口设置在上部、放空口设置在下部，所述出液口设置在与进液口相对的侧壁上。进一步地，所述槽体内设有连通道，连通道呈竖向设置，并与槽体内壁紧贴，所述连通道一端口与出液口连接，另一端口伸入到槽体底部且开设一出液孔。本发明技术原理：在装有硫酸锌溶液的净化槽内，引入频率为20～50khz，声强为200～800w/cm2的超声波，在超声波发射器与搅拌装置共同运行的条件下，控制好溶液ph、温度、锌粉与其它物质添加量，在超声波和添加物的共同作用下净化溶液中的杂质。超声波射入硫酸锌溶液，在溶液中产生超声空化效应，并伴随产生高速的射流，有效除去锌粉表面的钝化膜，使锌粉始终保持新鲜的活性表面，从而使锌粉有效参与置换反应过程。在加锌粉和锑盐除镍、钴的净化第二阶段，受超声波活化的锌粉能快速降低并稳定维持溶液电位于较负的电位区，使cosb的生成反应大大加快，经过超声波作用30～50分钟后，净化后液含镍、钴浓度达到锌电解液质量要求，由此实现用超声波提高硫酸锌溶液净化效果。采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果。本发明利用超声波改善硫酸锌溶液环境条件，在整个净化过程中使用超声波对溶液进行照射，利用超声波的的力学、热学、光学、电学和化学等效应使净化过程的添加物充分分散、使净化过程高效完成，使置换出来的杂质从锌粉表面脱落，使锌粉始终保持活性等。下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。附图说明附图作为本申请的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：图1是本发明净化槽结构示意图；图中：1-传动装置；2-变速箱；3-通风孔；4-超声波电源；5-槽盖；6-进液口；7-槽体；8-超声波发生器；9-放空口；10-搅拌轴；11-搅拌桨叶；12-出液口；13-出液孔。需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。具体实施方式为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。实施例1如图1所示，本实施例所述一种用超声波净化硫酸锌溶液的装置，该装置为净化槽，净化槽包括槽体7、槽盖5、超声波发生器8、传动装置1、搅拌轴10、搅拌桨叶11。槽体7呈圆柱形，槽体7设有凹腔，槽盖5用于封堵凹腔口，槽盖5上设有通风孔3，槽体7的侧壁设有进液口6、放空口9、出液口12，进液口6与放空口9设置在同一竖向上，且进液口6设置在上部、放空口9设置在下部，出液口12设置在与进液口6相对的侧壁上；槽体7内设有连通道，连通道呈竖向设置，并与槽体7内壁紧贴，所述连通道一端口与出液口12连接，另一端口伸入到槽体7底部且开设一出液孔13。连通道可以是由一挡板与槽体7内壁组成，利用槽体7自身结构，减少构成组件，液体从进液口6进入槽体7内凹腔中，从底部的出液孔13进入连通道，最后在出液口12溢出。搅拌轴10一端与传动装置1连接，另一端穿过槽盖5中部伸入到凹腔内，传动装置1可用电机，为方便控制电机速度，在电机与搅拌轴10之间加装一变速箱2。搅拌桨叶11至少为一个，本例中搅拌桨叶11为两个，在搅拌轴10上下方向上间隔设置，这里的搅拌桨叶11由多个叶片组成的。超声波发生器8至少为一个，根据槽体7的容积确定，优选可采用4n个，在圆周向均布设置，利于超声波均匀对液体作用，超声波发生器8安装在槽体7的内壁上，超声波发生器8与超声波电源4电连接。使用时，启动超声波电源4，控制超声波发生器8参数，开电机搅拌，即可实现净化槽的操控。实施例2硫酸锌溶液含cu81.22mg/l，cd628.24mg/l，ni21.31mg/l，co30.29mg/l。一段净化槽、二段净化槽、三段净化槽为实施例1结构。步骤1，首先通过换热器把硫酸锌溶液升温至60～80℃，锌粉按硫酸锌溶液中cu+cd杂质含量的1.2倍以常规方式加入调浆槽中与硫酸锌溶液进行调浆，然后采用输送泵将调浆后硫酸锌溶液送入一段净化槽，开启超声波发生器，在一段净化槽内反应时间为20min；步骤2，二段净化为除镍、钴、工序，一段净化后液经输送泵送入二段净化槽，温度控制在60～80℃，锌粉用量为除cu、cd后液中杂质co+ni含量的30，硫酸铜用量为20mg/l，锑白粉用量为5mg/l，锌粉、硫酸铜和锑白粉均以常规形式加入，开启超声波发生器，在二段净化槽内反应时间为20min；步骤3，三段净化为除残镉钴工序，二段净化后液经输送泵送入三段净化槽，温度控制在60～80℃，锌粉用量为1.4g/l，锌粉为常规加入方式，开启超声波发生器，在三段净化槽内反应时间为20min，净化完后得到净化液。本例采用三段超声波净化工艺，除杂后液成分：cu0.065mg/l，cd0.28mg/l，ni0.21mg/l，co0.48mg/l。实施例3硫酸锌溶液含cd455.27mg/l，cu62.95mg/l，ni11.54mg/l，co27.32mg/l。步骤1，首先通过换热器把硫酸锌溶液升温至60～80℃，锌粉按硫酸锌溶液中cu+cd杂质含量的1.4倍以常规方式加入调浆槽中与硫酸锌溶液进行调浆，然后采用输送泵将调浆后硫酸锌溶液送入一段净化槽，开启超声波发生器，在一段净化槽内反应时间为20min；步骤2，二段净化为除镍、钴、工序，一段净化后液经输送泵送入二段净化槽，温度控制在60～80℃，锌粉用量为除cu、cd后液中杂质co+ni含量的50倍，硫酸铜用量为20mg/l，锑白粉用量为5mg/l，锌粉、硫酸铜和锑白粉均以常规形式加入，开启超声波发生器，在二段净化槽内反应时间为20min；步骤3，三段净化为除残镉钴工序，二段净化后液经输送泵送入三段净化槽，温度控制在60～80℃，锌粉用量为0.6/l，锌粉为常规加入方式，开启超声波发生器，在三段净化槽内反应时间为20min，净化完后得到净化液。本例采用三段超声波净化工艺，除杂后液杂质成分：cu0.27mg/l，cd0.33mg/l，ni0.24mg/l，co0.49mg/l。实施例4硫酸锌溶液含cd636.57mg/l，cu65.29mg/l，ni15.14mg/l，co39.08mg/l。步骤1，首先通过换热器把硫酸锌溶液升温至60～80℃，锌粉按硫酸锌溶液中cu+cd杂质含量的1.4倍以常规方式加入调浆槽中与硫酸锌溶液进行调浆，然后采用输送泵将调浆后硫酸锌溶液送入一段净化槽，开启超声波发生器，在一段净化槽内反应时间为20min；步骤2，二段净化为除镍、钴工序，一段净化后液经输送泵送入二段净化槽，温度控制在60～80℃，锌粉用量为除cu、cd后液中杂质co+ni含量的50倍，硫酸铜用量为20mg/l，锑白粉用量为5mg/l，锌粉、硫酸铜和锑白粉均以常规形式加入，开启超声波发生器，在二段净化槽内反应时间为20min；本例采用二段超声波净化工艺，除杂后液杂质成分：cu0.45mg/l，cd0.39mg/l，ni0.36mg/l,co0.89mg/l。对比例1处理上述实施例2硫酸锌溶液，采用三段无超声波净化工艺，除超声波之外，三个阶段过程参数控制一样、锌粉及其它物质加入量均一样，除杂后液成分：cu0.95mg/l，cd2.25mg/l，ni4.62mg/l，co8.31mg/l。表1实施例2与对比例1除杂后液成分对比表cu(mg/l)cd(mg/l)ni(mg/l)co(mg/l)原始溶液81.22628.2421.3130.29对比例10.952.254.628.31实施例20.0650.280.210.48对比例2处理上述实施例3硫酸锌溶液，采用三段无超声波净化工艺，除超声波之外，三个阶段过程参数控制一样、锌粉及其它物质加入量均一样，除杂后液杂质成分：cu3.76mg/l，cd4.55mg/l，ni4.48mg/l，co10.98mg/l。表2实施例3与对比例2除杂后液成分对比表cu(mg/l)cd(mg/l)ni(mg/l)co(mg/l)原始溶液455.2762.9511.5427.32对比例13.764.554.4810.98实施例20.270.330.240.49对比例3处理上述实施例4硫酸锌溶液，采用二段无超声波净化工艺，除超声波之外，二个阶段过程参数控制一样、锌粉及其它物质加入量均一样，除杂后液杂质成分：cu5.34mg/l，cd4.98mg/l，ni6.53mg/l,co12.19mg/l。表3实施例4与对比例3除杂后液成分对比表cu(mg/l)cd(mg/l)ni(mg/l)co(mg/l)原始溶液636.5765.2915.1439.08对比例15.344.986.5312.19实施例20.450.390.360.89从表1-3可以看出，在处理同一硫酸锌溶液，使用等量的锌粉，超声波净化工艺净化效果更好，对cu、cd、ni、co杂质去除效率更高。本发明方法在硫酸锌溶液的净化工序引入超声波装置，在不改变现有工艺和设备的条件下，利用超声波对溶液产生的力学、热学、光学、电学和化学等一系列效应，对净化的三个阶段产生积极作用，使置换出来的杂质大部分从锌粉表面脱落下来，从而使锌粉随时保持裸露状态，具有强的反应活性。净化过程引入的超声波，频率为20～50khz，声强为200～800w/cm2，作用周期5分钟，周期内开超声波4分钟，停超声波1分钟，往复循环。在超声波作用下，含钴小于40mg/l的常规硫酸锌溶液，在30分钟内可将含钴降低到0.5mg/l内，锌粉实际用量从传统锌粉置换钴含量的100～200倍降至50倍以下。根据本发明方法用超声波改善净化效果，可明显降低锌粉用量、提高置换反应效率、降低溶液中杂质含量和降低湿法炼锌的生产成本。以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。当前第1页12