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低品位氧化锌矿湿法浸取制备纳米氧化锌

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第31卷第5期 吉首大学学报(自然科学版) Journal of Jishou University(Natural Science Edition) VoI.31 No.5 Sept.2010 2010年9月 文章编号:1007—2985(2010)05—0096—05 低品位氧化锌矿湿法浸取制备纳米氧化锌 石爱华,曾孟雄,周再兴,颜文斌 (吉首大学化学化工学院,湖南吉首416000) 摘 要:以低品位氧化锌矿为原料,通过酸浸、净化除杂得到纯净的硫酸锌溶液.以碳酸氢铵为沉淀剂,采用直接沉淀法 制备纳米氧化锌粉体.考察了碳酸氢铵和硫酸锌的物质的量之比、反应温度、反应时间、前驱体碱式碳酸锌的热分解温度及 时间对纳米氧化锌粒径大小及锌沉淀率或产品纯度的影响.采用x射线衍射仪、扫描电子显微镜等对产品的粒径及晶型结 构进行检测.结果表明,所得产品为六方晶系氧化锌,形貌为球状,平均粒径为40 nm,Zn0质量分数达到97.5 .所设计工 艺可得到技术指标达到GB/T 19589--2004国家标准中纳米氧化锌粉体要求,且操作简便易行,易于工业化生产. 关键词:低品位氧化锌矿;直接沉淀法;纳米氧化锌 中图分类号:TB383 文献标志码:B 我国蕴藏有丰富的锌矿资源,其中大部分为成分复杂的硫化矿和难处理的氧化矿.随着国内外锌产品 需求的增长,我国锌金属的生产能力和产量大幅增长,导致硫化矿和高品位氧化锌矿消耗急剧增加,锌矿 石资源供应日趋紧张.另一方面,我国又有许多低品位的氧化锌矿,如我国最大的铅锌矿兰坪铅锌矿及文 山地区的低品位氧化锌矿,每年产出数十万吨的低品位氧化锌矿.这些资源都没有被有效利用.为此,人们 越来越重视对低品位氧化锌矿的开发口 ].如何利用低品位氧化锌矿生产锌产品,提高资源的综合利用率 是一个亟待解决的问题. 笔者针对湘西某地低品氧化锌矿的特征,提出“湿法浸取,净化除杂,直接沉淀法制备纳米氧化锌”的 工艺路线,开发出一种以低品位氧化锌为原料、生产成本低廉、适合工业化生产的纳米ZnO制备方法,为 开发利用湘西低品位氧化锌矿奠定了一定的实验基础. 1 实验部分 1.1实验仪器和试剂 1.1.1实验仪器DF—lOIS集热式恒温磁力搅拌器(浙江省乐清市乐成电器厂);RTB一28—10马弗炉 (沈阳电炉厂);DZF一6020鼓风干燥箱(上海精宏实验设备有限公司);Rise一2008激光粒度分析仪(济南润 之科技有限公司);Y一2000型x一射线衍射仪(丹东射线仪器有限公司);WCT一2C热分析系统(北京光 学仪器厂);S一3400N扫描电子显微镜(日本日立集团). 1.1.2试料及试剂 本实验所采用的原料为湘西某地低品位氧化锌矿,锌主要以氧化锌的形式存在.其主 要化学组成见表1. *收稿日期:2010—04—08 基金项目:湖南省教育厅资助科研项目(08C717);湖南省科技计划项目(2O08GK3。O3) 作者简介:石爱华(1964一),女,湖南吉首人,吉首大学化学化工学院副教授,主要从事无机材料方向研究 通讯作者:颜文斌,教授,主要从事矿产资源加工及无机材料方向研究. 第5期 石爱华,等:低品位氧化锌矿湿法浸取制备纳米氧化锌 97 表1 低品位氯化锌矿主要化学组成及其质量分数 实验所采用主要化学试剂有硫酸、氢氧化钠、氨水、氯化铵、碳酸氢铵、无水乙醇等,均为国产分析纯试剂. 1.2低品位氧化锌矿的湿法浸取 将粉碎的氧化锌矿粉在110±5℃烘箱中烘2 h,并通过0.1 mm孔筛后置于干燥器中冷却至室温.称 取5O g左右矿粉放人烧杯中,分别加入不同浸取剂及添加剂.控制液固比和反应温度,用恒温磁力搅拌器 搅拌,反应一定时间后,冷却过滤,测定滤液中锌的含量,计算锌浸出率.通过单因素实验确定最佳浸取工 艺条件. 1.3浸出液的净化除杂 酸浸液先用3 的双氧水氧化并用氨水调节pH值至5~6,使杂质铁水解除去 ],然后加入适量过硫 酸铵除去锰离子 ],再加入过量锌粉除去铜、镉、铅、钴、镍等重金属离子_4],最后加入适量的氟化锌除去 钙、镁离子等杂质[6].从而得到纯净硫酸锌溶液. 1.4纳米ZnO的制备及表征 ’ 将净化除杂后的硫酸锌调整为浓度1.0 mol/L的溶液.量取一定体积的硫酸锌溶液至烧杯中,于恒温 水浴锅中搅拌加热,待加热到所需温度时,量取一定体积的2.0 mol/L NH HCO。溶液,用分液漏斗缓慢 地加入到搅拌中的硫酸锌溶液中.得NH HCO。全部加完后,继续在恒定温度下搅拌30 min后终止反应, 陈化2 h,抽滤,蒸馏水洗涤至无硫酸根离子,最后用少量无水乙醇洗涤2次.在80℃温度下的烘箱中干燥 4 h,得到前驱体碱式碳酸锌粉体. 将干燥的前驱体碱式碳酸锌放人马弗炉中,控制煅烧温度,煅烧一定时间后得到纳米ZnO产品.采用 Y一2000 X一射线衍射仪对产品的物相和结构进行表征;采用Rise一2002激光粒度分析仪测定产品的二次 团聚粒径;采用日本日立集团出品的S一3400N扫描电子显微镜观察产品的表面形貌并计量一次粒径;按 照GB/T 19589--2004标准方法测定纳米氧化锌粉体的纯度. 2结果与讨论 2.1低品位氧化锌的浸取 2.1.1不同浸取剂及添加剂对锌浸出率的影响 氧化锌矿湿法浸取一般采用3种方法:酸浸、碱浸和氨 浸.分别选用HzSO ,NaOH和NH。+NH Cl复合溶液作为浸取剂,浸取剂浓度控制为2.5 mol/L,液固 比为5:1,浸取时间为2 h.室温浸取,锌的浸出率分别为60.2 ,62.8 和82.6%.实验结果表明,对该氧 化锌矿采用碱浸和氨浸浸出效果不理想,其原因应该是氢氧化钠和氨无法将矿石中硫化锌型组分中的锌 浸出. 在硫酸溶液中,分别加入矿粉质量1.0 的MnO ,Fe (SO )。,KMnO ,Ca(C10)2,(NH ) S。O 等添 加剂,结果表明锌的浸出率略有增加,但增加幅度不大,所以选择单一的硫酸溶液作为浸取剂对该氧化锌 矿进行浸出. 2.1.2最佳浸取工艺条件 单因素实验表明:最佳 2. 100 浸取工艺条件为浸取剂硫酸浓度为20 ,液固比为 吾 4:1,反应温度为50℃,浸取时间为1.5 h.在此工 建厶 90 艺条件下,锌的浸出率为98.2 ,矿石中的锌基本  Il 1..  被浸出. g 80蒌 n口 2.2工艺条件对氧化锌粒径的影响 1. 70 2.2.1碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比对产品二 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8 3.0 n(NH,HCO3)/n(ZnSod) 次粒径及锌沉淀率的影响 在室温条件下(25℃), 通过改变碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比,考察 图1 碳酸氢按与硫酸锌的物质的量之比 碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比对粒径及锌沉淀 对产品粒径和锌沉淀率的影响 吉首大学学报(自然科学版) 第31卷 率的影响.前驱体煅烧温度和时间分别为550℃和1 h.实验结果见图1.图1中:曲线a为碳酸氢铵与硫酸 锌的物质的量之比对产品二次粒径的影响变化曲线;曲线b为碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比对锌沉 淀率的影响变化曲线. 在前驱物的沉淀反应中,碳酸氢铵与硫酸锌的理论计量比为2:1 E .随着碳酸氢铵与硫酸锌的物质的 量之比的不断增大,ZnO产品的粒径总的变化趋势是先减小然后逐渐增加.当物质的量之比为2.6时所得 产品粒径最小.位于2.4~2.6之间时粒径都较小.锌沉淀率随着碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比不断 的增加而增加,但当物质的量之比大于2.4时,基本达到锌的最高沉淀率,再增大物质的量之比,锌的沉淀 率基本保持不变.综合2方面因素,从减少成本提高经济效益方面考虑,该实验碳酸氢铵与硫酸锌的物质 的量之比确定为2.4. 2.2.2反应温度和反应时间对产品二次粒径及锌沉 2 l0O 淀率的影响在其他条件不变时,考察反应温度对 肴 纳米ZnO的粒径和锌沉淀率的影响,实验结果见图 2 90 2.图2中:曲线a为反应温度对产品粒径的影响变 化曲线;曲线b为反应温度对锌沉淀率的影响变化 兰‘ 80蓉 曲线.由图2可知,随着温度的升高,纳米znO产品 1 70 二次粒径不断增大.这可能是因为温度的升高增大 7y℃ 了离子的扩散速度,使生成的前躯体沉淀颗粒趋于 长大,导致最终产品的颗粒增大.在25℃时产品粒 图2反应温度对产品粒径及锌沉淀率的影响 径最小.从图2还可以看出,锌的沉淀率随着温度的升高不断下降.这可能是由于随着温度的升高,会加快 NH HCO。分解的缘故.实验结果表明在室温25℃左右,产品的粒径最低,锌沉淀率最高.故本实验采取 在室温的条件下进行前躯体合成. 实验发现,硫酸锌和碳酸氢铵的反应速度较快,30 min后反应就已经完全,反应时间对产品二次粒径 及锌沉淀率的影响较小.故实验确定反应时间为30 min. 2.2.3煅烧温度和煅烧时间对产品粒径和纯度的影响 实验考察了煅烧温度和煅烧时间对产物二次粒径和纯度的影响,结果如图3和图4所示.图3中:曲 线a为煅烧温度对产品二次粒径的影响变化曲线;曲线b为煅烧温度对产物纯度的影响变化曲线.图4 中:曲线a为煅烧时间对产品二次粒径的影响变化曲线;曲线b为煅烧时间对产物纯度的影响变化曲线. 图3煅烧温度对产品粒径及纯度的影响 图4煅烧时间对产品粒径及纯度的影响 由图3结果表明,煅烧温度对Zn0产品的二次粒径和纯度有一定影响.当煅烧温度较低时,碱式碳酸 锌分解率低,产品粒径较大.这可能是由于在低分解温度时,因分解速度低,在分子吸附力的作用下生成物 与未分解部分还保持黏附状态,到分解时就聚集在一起.随着煅烧温度的提高,碱式碳酸锌分解率增大,产 品粒度也随着降低.当煅烧温度达到550℃时,Zn0粒度降到最小值.此时再提高煅烧温度,ZnO粒径又 开始长大.可能是到高分解温度时,粒子的能量高,只要颗粒一接触,就会发生烧结,形成烧结颈而产生硬 团聚体.煅烧温度越高,颗粒间的团聚越严重,颗粒的粒度越大,从而使产品粒径增大.总体说来,在400 600℃温度范围内,煅烧温度对ZnO产品粒径和纯度影响不太明显,所得产品粒径和纯度相差不大,在煅 第5期 石爱华,等:低品位氧化锌矿湿法浸取制备纳米氧化锌 99 烧温度550℃条件下所得产品粒径最低,纯度最高. 从理论上分析,煅烧时间越短,所得样品粒径越小,但分解不完全;煅烧时间增长,分解越完全,得到的 ZnO颗粒生长完全,产品纯度好,但粒径略有增大.图4的结果表明,煅烧时间对ZnO产品粒径和纯度有 一定影响,但不太明显;在90 rain时,所得产品二次粒径最低,纯度最高. 根据实验结果确定制备纳米ZnO的最适煅烧温度为550℃,煅烧时间为90 min. 2.4纳米氧化锌粉体产品的分析和表征 2.4.1产品的X射线衍射(xRD)的分析 图5是由 1.6 碱式碳酸锌前驱体经550℃煅烧90 min后得到 1.4 ZnO粉体的X一射线衍射图.粉体的衍射峰的位置 I・2 和强度与ZnO标准卡片(JCPDS卡片号为361451) L” 一致,说明产物是具有六方晶系结构的ZnO,n=6一 黑u 。 0.324 9 nm,c=0.520 6 nm,口=== 一y一90。.衍射图 : 上没有发现其他物质明显的衍射峰,表明经过煅烧 ,、,, 后得到的znO粉体纯度很高,晶型单一.粉体晶粒0 大小可由谢乐公式求算 ].通过计算得出纳米ZnO 20 40 6O 8O 20/(.) 产品的粒径为22.6 nm. 图5纳米氧化锌粉体的XRD图 2.4.2扫描电镜(SEM)分析 图6是在优化条件下 所制备得到的ZnO粉体的SEM照片.从图6中可以看出,采用碳酸氢铵直接沉淀法合成的ZnO粉体的形 貌为球状,颗粒分布比较均匀,团聚现象不明显,平 均粒径约40nm,与谢乐公式计算结果相近. 2.4.3 ZnO产品的产率及主要技术指标的测定按 照GB/T 19589--2004标准方法分析优化实验条件 下制备得到的ZnO产品的产率和纯度,测定结果为 ZnO产率为96.2 ,ZnO质量分数97.5 ,纯度达 到2类产品标准.其他指标见表2,所测定的指标均 达到或超过GB/T 19589--2004国家标准3类产品 指标. 图6 纳米氧化锌产品的扫描电镜图 表2产品指标和国标GB/T 19589--2004的成品指标对 B loo 吉首大学学报(自然科学版) 第31卷 3 结论 以低品位氧化锌矿为原料,通过硫酸浸取、净化除杂可以获得纯净的硫酸锌溶液.以碳酸氢铵为沉淀 剂,采用直接沉淀法制备得到了纳米ZnO粉体.实验结果表明,在碳酸氢铵与硫酸锌的物质的量之比为 2.4:1、反应温度为室温(25℃)、反应时间为30 min、煅烧温度为550℃、煅烧时间为90 rain的条件下,制 备得到的ZnO颗粒为六方晶系ZnO,形貌为球状,平均晶粒尺寸为40 nm左右;颗粒粒度分布均匀,分散 性良好,ZnO含量达到97.5 /,锌的沉淀率达到96.2 .纳米oZnO产品的主要技术指标达到GB/T 19589--2004国家标准3类产品指标.所设计工艺操作简便易行,对设备、技术要求不高,成本低,锌的沉 淀率和产品纯度高,易于工业化生产. 参考文献: [13徐红江,张延安.低品位氧化锌矿冶金进展[J].有色矿冶,2009,25(2):28—30. [23杨大锦,谢刚,贾云芝,等.低品位氧化锌矿堆浸实验研究[J].过程工程学报,2006,6(1):59—62. 宏.低品位氧化锌矿氨一碳酸氢铵浸出制备氧化锌工艺的研究[J].精细化工中间体,2010,40 [3]蒋崇文,罗 艺,钟(3):53—56. [4]梅光贵,黄德润,周敬元,等.湿法炼锌学[M].长沙:中南大学出版社,2001:280—300. [5] 范兴祥,彭金辉,张利渡,等.过硫酸铵氧化法除去ZnSO 溶液中Mn 的工艺研究[刀.有色矿冶,2002,18(2):39 4O. [6]沈强华,张[73时文中,赵[83黄惠忠,王旭.氟化沉淀法净化硫酸锌溶液中钙镁的热力学分析l-J].昆明理工大学学报,2000,25(4):25—28. 巍,王竞研,等.由粗氧化锌制备纳米活性氧化锌的研究[J].无机盐工业,2004,36(4):20—23. 远,刘忠范,等.纳米材料分析[M].北京:北京化学工业出版社,2003. Preparation of Nanometer Zinc Oxide Powders by Wet Leaching of Low—Grade Zinc Oxide Ore SHI Ai—hua,ZENG Meng~xiong,ZHOU Zai—xing,YAN Wen-bin (College of Chemistry and Chemical Engineering,Jishou University,Jishou 416000,Huna*n China) Abstract:The pure ZnSO4 solution was obtained by low—grade ZnO ore as raw materials after the process Of H2 SO4 leaching and purification.Nanometer ZnO powders were prepared by direct precipitation meth— od using NH4 HCO3 as precipitator.The effects of various factors such as the mole ratio of NH4 HCOa to ZnSO4,reaction temperature,reaction time,thermal decomposition temperature and time of basic zinc car— honate precursors on the particle size of nanometer powders and the precipitation rate or the purity of ZnO were investigated systematically.XRD and SEM were used to characterize the structure and size of Zn0 particle.The results show that the ZnO powders with hexagonal structure,spherical morphologies, 40 nm of average crystal size and 97.5%of purity are obtained.The main technical indices of nanometer ZnO powders prepared by the above route met GB/T19589--2004 National Standard.The processes are simple and easy for industrialization. Key words:low~grade zinc oxide ore;direct precipitation method;nanometer zinc oxide (责任编辑 易必武) 

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