[01853120]超声波强化浸出湿法炼锌渣及浸出液制备纳米多孔铁酸锌电极材料的研究

本课题来源于广西自然科学基金项目“超声波强化浸出湿法炼锌渣及浸出液制备纳米多孔铁酸锌电极材料的研究”（编号：2014GXNSFBA118238）。工业上主要的炼锌矿物为闪锌精矿（ZnS）和铁闪锌精矿（nZnS.mFeS）,约占炼锌矿物的95%以上。闪锌精矿含铁少（≤5%）,铁闪锌精矿含铁高（8~20%）。铁闪锌精矿在我国非常丰富,约占我国锌资源的一半以上,主要产于广西和云南。在铁闪锌精矿炼锌工艺过程中,锌焙砂经中性浸出后,焙砂中的锌无法完全浸出,约有20%的锌残留于浸出渣中。为了回收其中的锌和其它有价金属,许多冶炼厂采用热酸浸出法,热酸浸出时,浸出渣中有95%左右的锌被溶解出来,但同时也有90%左右的铁被溶解出来。若要回收浸出液中的锌,就需要对浸出液进行除铁操作。我国几乎所有全湿法炼锌流程都采用铁矾法除铁,年产湿法炼锌渣（湿法炼锌渣）14~16 万吨。由于该渣很难达到炼铁工艺要求,很多炼锌厂直接将其送往渣场堆放,占用了大量的土地资源。由于该湿法炼锌渣含有Zn、Fe、Pb、Cd、Sb、Cu、Sn、As、In、Ag等金属,这些金属不及时回收利用,一方面造成了资源的巨大浪费;另一方面其中的重金属,如Zn、Pb、Cd、Sb、Cu、As等,在自然界长期堆放的条件下会不断溶出污染土壤和地下水。目前,工业上普遍采用热酸浸出法将湿法炼锌渣中的不溶锌进一步回收以提高锌的总回收率。该方法有效地解决了湿法炼锌渣处理难的问题,但浸出过程存在操作条件苛刻、对设备要求高、原材料消耗大、污染大、能耗高等缺点,且仍存在锌铁分离问题和铁资源等浪费问题。综合分析,铁闪锌矿湿法炼锌过程亟待解决的问题有：（1）开发新的有效的强化湿法炼锌渣浸出过程的方法以取代热酸浸出;（2）铁资源的合理利用,减少污染。随着科学技术的发展,人们不断开发出新的强化浸出过程的方法,主要有：机械活化法、加压氧化法、磁场强化法等。近几年来,超声波作为外场强化湿法冶金浸出过程受到越来越多的科研工作者的重视,主要的研究工作包括：超声波强化硫化铜矿、含铜尾矿、辉钼矿、铝酸钙渣、硫化镍精矿的浸出等。在这些工艺研究中,超声波的引入均显著地提高了有价金属的浸出率。然而对于超声波强化湿法炼锌渣的浸出工艺和机理研究显有报道。过渡金属氧化物因其具有较高的可逆容量而成为一种极具竞争力的新型锂离子电池负极材料。近年来,铁基尖晶石型双过渡金属氧化物作为锂离子电池负极材料备受关注,其中正尖晶石型ZnFe2O4在放电时由于能够形成Li-Zn合金提供高达1072 mAhg-1的理论比容量（传统石墨负极仅为372 mAh g-1）,比其它铁基尖晶石型双过渡金属氧化物的优势更明显。除此之外,ZnFe2O4还具有安全性好、原料来源广泛、环境友好、制备容易等突出优点,被认为是最有应用前景的新一代锂离子电池负极材料之一。然而,ZnFe2O4作为电极材料在充放电过程中体积会发生明显的变化,这会导致颗粒粉化、电接触变差,进而使其循环性能迅速恶化。纳米多孔结构能够有效地释放材料充放电过程中因体积变化而产生的应力,从而提高其循环稳定性。针对湿法炼锌渣目前采用的热酸浸出法存在操作条件苛刻、对设备要求高、原材料消耗大、污染大、能耗高等缺点,将超声波技术引入到湿法炼锌渣的浸出过程中替代热酸浸出,研究了超声波强化湿法炼锌渣浸出工艺及机理。针对从湿法炼锌渣浸出液中进一步回收锌时,需要进行锌铁分离,产生的铁渣无法充分利用,污染环境等问题,提出了一种无需锌铁分离直接利用浸出液中的锌源和铁源制备高附加值的纳米多孔铁酸锌电极材料的新工艺。该研究结果进一步完善了超声波强化湿法炼锌渣浸出机理和动力学理论,为高效浸取湿法炼锌渣提供理论依据和设计模型,同时该研究对湿法炼锌渣酸浸液中锌源、铁源的回收利用提供了一条新的途径,具有重要的理论意义和实际应用参考价值。同时,该研究结果对制备高性能的纳米ZnFe2O4磁性材料、气敏性材料、催化材料等也具有重要的借鉴意义。