I. Теоретическая часть

1.3. Области применения цинка
Чистый цинк используется для восстановления редких металлов. Также цинк используется при извлечении серебра и золота из интерметаллидов, которые подвергаются дальнейшему рафинированию. Он широко используется для цинкования стальных конструкций, труб и т.д. В этом случае цинк защищает сталь от гниения и ржавчины. Наиболее широко используемая область применения цинка — это химические виды источников тока. То есть цинк широко используется в производстве аккумуляторов и батареек. Также цинковые пластины используются для печати иллюстраций в многосерийных изданиях, т.е. полиграфии. Цинк также добавляют в формы для пайки электронных устройств для стабилизации температуры плавления. В противном случае эти паяные соединения могут расплавиться при нагреве электрооборудования. Оксид цинка используется в производстве белой краски. Цинк является наиболее важным компонентом латуни. Сплавы цинка с алюминием и магнием обладают превосходными механическими свойствами и относительно легко плавятся и отливаются. По этой причине эти сплавы цинка широко используются при производстве точных отливок деталей в машиностроении. Сульфид, теллурит, селенид и фосфид цинка — полупроводники, широко используемые в микроэлектронике. Сульфид цинка также входит в состав многих люминофоров. Фосфид цинка также используется в качестве родентицида. Используя селенид цинка при изготовлении оптических стекол, можно стабилизировать коэффициент поглощения линзы в среднем инфракрасном диапазоне.
Мировой цинк используется в следующих областях, %:
- получение белой туники 36;
- получение латуни и бронзы 26;
- литейный цех 26;
- цинкование прокатное 3;
- химические товары 6.5.
1.4. Процесс селективной плавки цинковой сажи
Основная цель селективной плавки сажи (Огарок) – максимально растворить содержащиеся в саже соединения цинка и получить чистый раствор для электролиза. Растворение осуществляется с помощью серной кислоты. При выборе серной кислоты учитывают следующее:
1) оксид цинка – хорошо растворяется ZnO;
2) удобство в дальнейшем электролитическом восстановлении;
3) наличие серной кислоты на цинковых заводах;
Оксид цинка хорошо растворяется в слабом растворе серной кислоты, а сульфат цинка — в воде:
ZnO + H2SO4 = ZnSO4 + H2O
Сульфид цинка можно растворить в нагретой крепкой серной кислоте:
ZnS + H2SO4 = ZnSO4 + H2
При этом выделяется токсичная перекись водорода.
При горении появляется ряд силикатов цинка (n ZnO * m SiO2), феррита (x ZnO * u Fe2O3) и алюминатов (ZnO * Al2O3). Эти соединения трудно растворяются в растворе серной кислоты. Их растворимость увеличивается с температурой и концентрацией серной кислоты.
Например, для перевода цинка из феррита в раствор требуется концентрация серной кислоты 200-300 г/л и температура 80-900°С.
Кроме цинка есть железо, медь, кадмий, свинец, серебро, золото, никель, кобальт, марганец, барий, кальций, алюминий и другие металлы.
Кадмий по своим свойствам близок к цинку, его оксид CdO хорошо растворяется в серной кислоте:
CdO + H2SO4 = CdSO4 + H2O
Из золы в раствор переходит 85-90% кадмия. Железная руда в основном встречается в виде ферритов цинка и меди. Есть также некоторые оксиды железа Fe2O3 и Fe3O4. В сульфатном растворе хорошо растворяется Fe2O3, частично Fe3O4. Небольшое количество Fe2(SO4)3 содержится в циклонной пыли мусоросжигательного завода. В растворе образуется сульфат трехвалентного железа:
Fe2O3 + 3N2SO4 = Fe2(SO4)3 + 3H2O
В растворе Fe2(SO4)3 восстанавливается до FeSO4, сульфата двухвалентного железа с соединениями меди, SO2 и сульфидов металлов. Этот процесс помогает цинку перейти из агарозы в раствор посредством следующей реакции:
ZnS + Fe2(SO4) 3 = ZnSO4 + 2FeSO4 + С‌‌
Из агарка в раствор переходит всего 3-4% железа, его количество составляет 1-2 г/л. Такое количество шлака способствует гидролитической очистке от мышьяка, сурьмы, германия и других веществ. Медная зола находится в оксидной (CuO, Cu2O), ферритной (n CuO * m Fe2O3), силикатной (x Cu2O * y SiO2) формах. Легче всего CuO растворяется и образует CuSO4. Феррит меди, как и феррит цинка, трудно расплавить. При селективной плавке примерно половина меди плавится, а половина остается в кеке. Окисленные соединения сурьмы (III) и мышьяка (III) переходят в раствор в виде As2(SO4)3 и Sb(SO4)3 при селективном плавлении агарок. Оксиды сурьмы (V) и мышьяка (V) являются труднорастворимыми соединениями.
Никель, кобальт и марганец растворяются с образованием сульфатов Ni4, SbSO4 и MnSO4.
При селективной плавке свинец практически полностью переходит в кек по следующей реакции:
PbSiO3 + H2SO4 = PbSO4 + H2SiO3
Растворение силикатов свинца, меди и цинка приводит к загрязнению раствора соединениями кремния. Этот процесс затрудняет дальнейшее осаждение и фильтрацию из-за избирательного плавления.Золь серебра находится в форме Ag2S и Ag2SO4. Сульфат серебра хорошо растворяется, а затем при наличии в растворе ионов хлора выпадает в осадок в виде труднорастворимого соединения AgCl. Сульфид серебра не растворяется и остается в кеке. Золото остается полностью в твердых отходах. Оксиды кальция и бария образуют растворы, труднорастворимые в растворах серной кислоты. Кислота процесса:
МеО + Н2SO4 = МеSO4 + Н2О
Он частично связывает серную кислоту свинца, кальция и бария в труднорастворимые сульфаты. Учитывая это, необходимо несколько увеличить количество сульфатированной серы в период горения.
Соединения хлора, фтора, натрия и магния легко растворяются и накапливаются в растворе. Редкие металлы - таллий, галлий, индий и германий частично растворяются.

Схемы селективной плавки обожженного концентрата.

В мировой практике используются различные схемы селективной плавки: одно-, двух- и трехступенчатая, периодическая и непрерывная и другие. Наиболее распространенной схемой является непрерывная противоточная двухступенчатая селективная плавка. Растворение цинка из золы увеличивается с увеличением концентрации H2SO4 и температуры. Но частицы также могут растворяться в нем. Это будет препятствовать будущим электролитическим процессам. Принцип противотока позволяет проводить вторую стадию селективного растворения крепким раствором (130 - 150 г/л H2SO4). На первом этапе проводят селективное растворение слабым раствором (50 - 60 г/л H2SO4). В результате раствор, полученный на первой стадии, не содержит серной кислоты (pH = 5,2 - 5,4). При таком селективном растворении в нейтральном растворе почти нет частиц. Это облегчает очистку будущего раствора и снижает затраты.
На первом этапе селективной плавки (нейтральный цикл) решаются следующие технологические вопросы:
1) частичное получение сульфата цинка и оксида цинка из агарок;
2) Нейтрализация избытка серной кислоты в растворе;
3) гидролитическая очистка раствора от частиц;
4) отделение раствора от твердых веществ;
5) рациональное использование тепла агарока.
Конечной целью нейтральной селективной плавки является получение чистого раствора цинка из гидролитически обработанного материала.
Задачи второй стадии селективной плавки (кислый цикл):
1) полное выплавление цинка из агарок;
2) ограничивают растворение частиц;
3) окисление мышьяка и германия;
4) очистка раствора от частиц;
5) отделение твердой и жидкой фаз друг от друга.‌‌

Конечной целью селективной плавки в кислой среде является получение кека без растворимых соединений цинка. Выбор схемы доступа зависит от качества сырья. В случае больших объемов производства, когда состав сырья не меняется, целесообразна непрерывная селективная плавка. Периодическая селективная плавка предпочтительна для переработки сырья с высоким содержанием твердых частиц из-за ее быстрой адаптируемости. Периодическая селективная плавка требует меньших затрат на производство и обработку, чем непрерывная плавка. Одноступенчатую селективную плавку обычно проводят по периодической схеме. При переработке некачественного концентрата, в котором количество мышьяка составляет 0,5 %, а количество диоксида кремния до 8 %, целесообразно использовать одностадийную схему.

Практика селективной плавки. Обязательным условием перехода на периодическую схему является выборочное плавление – агарок необходимо охладить и разделить на сорта. Поскольку температура смеси золы и пыли, выходящей из печи, составляет 700-750 0 С, их охлаждение осуществляется в воздухоохладителях или конвейерах. Охлажденная смесь разделяется на классы по крупности в аэросепараторе. Крупную фракцию (> 0,3 мм) измельчают на роторной мельнице и классифицируют от новой. Классифицированный прокаленный концентрат направляется на селективную плавку. Классификацию обычно проводят в два этапа: нейтральный и кислый. Исходная (нейтральная) классификация делит всю пульпу на две фракции: песок (+0,30 мм) и ил (- 0,3 мм). Каждая фракция требует отдельного селективного растворения. Раствор из нейтральной классификации направляют на нейтральную селективную плавку. Песчаная фракция селективно растворяется используемым электролитом (остаточная кислотность пульпы 20 - 60 г/л H2SO4). Песчаная фракция избирательно растворяется в механической или пневматической мешалке. В этом случае добавляют марганцевую руду или пиролюзит MnO для окисления двухвалентного железа до трехвалентного. После селективного плавления песок снова классифицируют. Песчаный продукт кислой классификации почти ничем не отличается от цинкового кека кислой селективной плавки. Поэтому эту фракцию направляют в скважинную печь. Раствор, отделенный от нейтральной классификации, направляется на нейтральную селективную плавку с пылью циклона и электрофильтра. Это селективное плавление осуществляется последовательно с помощью мешалок пневматического типа. Концентрация серной кислоты в первой мешалке 50-60 г/л. При селективном растворении кислота нейтрализуется. В этом случае соединения гидролизуются и осаждаются. Процесс гидролиза контролируют путем изменения рН раствора путем добавления марганцевой руды в первую мешалку. В последней мешалке рН жидкой фазы увеличивается до 5,2-5,4. Полноту гидролиза оценивают по количеству железа (II) в пульпе, выходящей из последней мешалки. Обычно это количество должно составлять 30 - 50 мг/л. Из последней мешалки в нейтральном цикле пульпа направляется в сгуститель. Раствор от нейтрального загустителя обычно не превышает 1 г/л хорошо растворимых сухих веществ. Сам раствор является продуктом селективного растворения. Его очищают от частиц и направляют на электролитическое восстановление цинка.
Густой продукт нейтральных загустителей имеет S : Q = 3 - 4 и направляется в пневмомешалки кислого цикла. Отработанный электролит с содержанием цинка 40 г/л и H2SO4 120 - 160 г/л подается на первую мешалку кислотно-селективного растворения.
В последней мешалке количество серной кислоты уменьшается до 0,5 - 1,0 г/л, а отношение Q:S увеличивается до 10 - 12. В кислом цикле пульпа сгущается в последней мешалке. Пульпу охлаждают в сгустителе, дополнительно растворяют ZnO, нейтрализуют кислоту и доводят рН до 4,0-4,5, примеси гидролизуют и осаждают.‌‌

Машины селективной плавки. Пневматическая мешалка обычно используется для непрерывного селективного плавления. Сам пачук представляет собой цилиндрическую форму из нержавеющей стали или железобетона. Внутренняя поверхность чаши облицована (защищена) свинцово- или кислотостойкой керамикой. Высота ковша 6 - 10 м, диаметр 3 - 4 м, рабочий объем 40 - 100 м.

В центре Ченнинга установлена ​​вертикальная труба – аэролифт. По этой трубе подается воздух под давлением 0,2 - 0,25 мПа. Воздух смешивается с пульпой, образуя легкую смесь, и тяжелая пульпа выдавливает ее наверх. Внешняя часть аэролифта тяжелая, не насыщенная воздухом, пульпа падает вниз и снова попадает в аэролифт. В результате пульпа интенсивно перемешивается, а избирательное плавление способствует протеканию реакций.
Чтобы обеспечить необходимую продолжительность избирательного плавления, последовательно устанавливают несколько заплат. Первая пульпа загружается в первый гидроразбиватель, а из последнего гидроразбивателя направляется в сгуститель жома. При периодической селективной плавке процесс проводят в мешалке с механической мешалкой. Его объем достигает 150 м3. В смесительном устройстве установлен пороховой стол из кислотоупорной стали. При необходимости мешалки оснащаются нагревательным устройством, и селективное плавление может осуществляться при высоких температурах.
Пульпу, полученную при селективной плавке обожженного цинкового концентрата, разделяют на твердую и жидкую фазы. Для разделения фаз используют конденсацию и фильтрацию.
Котел создает чан диаметром 10 - 18 м и высотой 4 - 5 м.
В пыль загружают 50-100 л твердой пульпы. Твердые частицы оседают в конденсаторе и удаляются из устройства. Порошок из жидкой фазы пульпы удаляется из верхней части и направляется на дальнейшие технологические процессы. Для ускорения процесса сгущения в пульпу добавляют полиакриламид (ПАА). Полиакриламид превращает мелкие частицы в тяжелые хлопья. Разбавленный раствор, в котором почти нет твердых веществ, направляют на очистку. Соотношение Q:S было 2-3. Сгущенную пульпу направляют на фильтрацию. Производительность разработки загустителя: 2,5 - 4,0 м разбавленного раствора на 1 м2 в сутки в нейтральном цикле и 6 - 7 м3 на 1 м2 в сутки в кислом цикле. Концентрация сухих веществ в сгущенной пульпе составляет 20-50%. Производительность дискового фильтра составляет 1 - 2 м в сутки на 1 м фильтрующей поверхности. Влажность жмыха 30 - 35%. В целом поверхность фильтрации составляет 80 - 100 м.
Фигура 2. Гидрометаллургическая переработка обогащения сульфидного цинка
основная технологическая схема‌‌