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氧化鋅礦制備飼料級(jí)氧化鋅的工藝研究

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  • 日期：2010-06-29
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氧化鋅礦制備飼料級(jí)氧化鋅的工藝研究 
 
湖南化工職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工系/田偉軍
原刊于《新飼料》雜志2007年第8期
 
摘　要：研究了以氧化鋅礦為原料，經(jīng)酸浸、凈化、沉鋅、過濾、洗滌、干燥制得中間產(chǎn)物堿式碳酸鋅，堿式碳酸鋅經(jīng)煅燒制備飼料級(jí)氧化鋅的新工藝。重點(diǎn)考察了制備工藝中酸浸、除雜條件以及煅燒溫度和時(shí)間對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的影響。該研究屬全濕法制備飼料級(jí)氧化鋅新工藝，具有原料價(jià)廉易得、適應(yīng)性強(qiáng)、生產(chǎn)成本低等優(yōu)勢(shì)，制備的產(chǎn)品質(zhì)量可達(dá)到HG/T 2792-1996飼料級(jí)氧化鋅一級(jí)品標(biāo)準(zhǔn)，該法充分利用了低品位的鋅資源具有較好的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：氧化鋅礦；酸浸 ； 凈化； 煅燒 ；飼料級(jí)氧化鋅 
 
飼料級(jí)氧化鋅是一種重要的飼料添加劑，為白色或淡黃色六角形細(xì)微粉末。與飼料級(jí)一水硫酸鋅和七水硫酸鋅等含鋅飼料添加劑相比，飼料級(jí)氧化鋅具有無味、無毒、質(zhì)細(xì)膩、微量元素鋅含量高、產(chǎn)品精細(xì)等特點(diǎn)，其生物學(xué)利用率高，是良好的鋅來源。氧化鋅與其他鋅源相比，單位鋅的成本明顯低，利于降低飼料添加劑成本，添加量相當(dāng)于一水硫酸鋅的44%，七水硫酸鋅的28%。研究表明，來自飼料氧化鋅的鋅2000～3000mg/kg對(duì)仔豬具有促生長(zhǎng)和抗菌作用，增加到一定的合理量，可替代抗生素的作用。因此，飼料氧化鋅作為飼料微量元素鋅的良好添加劑及部分抗生素的替代品，必將有一個(gè)美好的市場(chǎng)前景[1～3]。本文以氧化鋅礦為原料，經(jīng)酸浸、凈化、沉淀轉(zhuǎn)化、過濾、洗滌、干燥、煅燒等工序，制備了符合HG/T 2792-1996(一等品)標(biāo)準(zhǔn)的飼料級(jí)氧化鋅。
1　實(shí)驗(yàn)部分
1.1 實(shí)驗(yàn)原料及實(shí)驗(yàn)儀器：
1.1.1本實(shí)驗(yàn)的主要原料為氧化鋅礦、硫酸、碳酸鈉、無離子水等，氧化鋅礦主要化學(xué)組成見表1。
表1　氧化鋅礦的主要化學(xué)組成

元素
Zn
Pb
Fe
SiO2
Cu
As
Cd
含量/%
57.3
4.62
2.34
0.63
1.05
0
0.56

 
1.1.2本實(shí)驗(yàn)的主要儀器有：1000ml三口燒瓶、磁力攪拌器、布氏漏斗、恒溫水浴、恒溫干燥箱、馬弗爐等。
1.2 實(shí)驗(yàn)原理及步驟
1.2.1鋅的浸出
取100g鋅礦粉，加入裝有一定量硫酸的1000ml三口燒瓶中，80℃下恒溫?cái)嚢?h，過濾去渣。原料中主要元素多以氧化物形式存在，金屬氧化物發(fā)生以下反應(yīng)：
MOn/2 + nH+  →  Mn+  +  n/2 H2O
在酸浸過程中除Zn以外，Pb、Fe、Si、Cu、Cd等雜質(zhì)元素也大量被浸出,浸出液的組成及含量見表2：
 
表２浸出液的組成及含量
元素
Zn
Pb
Fe
SiO2
Cu
As
Cd
含量/ (g/L)
110.5
0.35
0.48
0.02
0.19
0.00
0.08
 
根據(jù)浸出液的組成，本實(shí)驗(yàn)控制一定的pH值采用KMnO4氧化水解除Fe，除Fe過程中，SiO2也通過共沉淀、吸附等方式除去，Pb、Cu、Cd則通過鋅粉置換除去。具體過程如下：
①　氧化水解除鐵 將浸出液加入1000ml三口燒瓶中，80℃恒溫?cái)嚢柘戮徛尤?/span>KMnO4溶液，攪拌反應(yīng)2h，控制溶液pH值至5～5.5，在室溫下靜置陳化3h，這時(shí)Fe3+發(fā)生反應(yīng)生成Fe(OH)3沉淀而被除去，反應(yīng)式如下：

5Fe2+  + MnO4-  + 8H+  → 5Fe3+   +  Mn2+  + 4H2O
Fe3++ 3H2O  → Fe(OH)3 ↓+ 3H+
 
②　置換 由于浸出液中的重金屬雜質(zhì)Pb、Cu、Cd的存在將嚴(yán)重地影響飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品的質(zhì)量，因此必須除去這些雜質(zhì)離子。本實(shí)驗(yàn)采用鋅粉置換法來除去溶液中的Pb、Cu、Cd等雜質(zhì)，同時(shí)又不會(huì)引入新的雜質(zhì)，具體步驟如下：將去Fe濾液加入1000ml三口燒瓶中，在75℃恒溫下分兩段加入鋅粉進(jìn)行置換凈化, 為確保雜質(zhì)凈化徹底采用鋅粉總用量為理論量的3～4倍，每段反應(yīng)時(shí)間20～30min，置換反應(yīng)方程式如下：
Me2++ Zn → Zn2+ + Me （Me=Cd、Cu、Pb）
 
1.2.3沉淀反應(yīng)
沉淀反應(yīng)的目的是將ZnSO4轉(zhuǎn)化為堿式碳酸鋅，直接沉淀法是濕法制備ZnO的一種重要化學(xué)方法，它是在可溶性鹽溶液中加入沉淀劑，在一定的反應(yīng)條件下形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽類從溶液中析出，經(jīng)熱分解得到ZnO的一種新工藝[4]。本實(shí)驗(yàn)采用碳酸鈉作沉淀劑，生產(chǎn)成本較低，便于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化，反應(yīng)式如下[5～6]：
3Na2CO3+3ZnSO4+3H2O→3Na2SO4+ZnCO3•2Zn（OH）2•H2O↓+ 2CO2
 
1.2.4洗滌、干燥與煅燒
將沉淀反應(yīng)的產(chǎn)物堿式碳酸鋅轉(zhuǎn)入布氏漏斗進(jìn)行固液分離，每次采用200ml無離子水洗滌濾餅，洗滌兩次后將濾餅取出放置在恒溫烘箱設(shè)定干燥溫度在110～130℃烘干2h，以去掉濾餅中的游離水，濾液返回原料制備階段用于氧化鋅礦的化漿。濾餅烘干后置于馬弗爐中，在800～900℃煅燒4h得到飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品。
2  結(jié)果與討論
2.1 凈化結(jié)果分析
經(jīng)過酸浸和凈化工藝后，ZnSO4溶液的雜質(zhì)含量已經(jīng)很低（見表3），結(jié)果表明本實(shí)驗(yàn)工藝的凈化效果比較理想。飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品對(duì)重金屬雜質(zhì)的含量（Pb、Cd、Cu等）控制相當(dāng)嚴(yán)格，因此原料液的凈化是否徹底將很大程度上影響最終產(chǎn)物的質(zhì)量。本實(shí)驗(yàn)采用氧化KMnO4氧化水解除Fe和鋅粉兩次置換除Pb、Cd、Cu，控制合適的工藝條件，較好地將原料浸取液中的重金屬雜質(zhì)除去，從而可提高飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品的等級(jí)。
 
表3  精制ZnSO4溶液中主要雜質(zhì)的含量（mg/L）
 

元素
Pb
Fe
Cu
As
Cd
含量
0.04
0.08
0.01
0.00
0.01

 
2.2干燥、煅燒及產(chǎn)品性能
干燥及煅燒條件的確定對(duì)飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品質(zhì)量的影響很大。在實(shí)驗(yàn)過程中，將脫水后的濾餅置入110～130℃恒溫干燥箱中干燥2h，確保堿式碳酸鋅中的水分≤1%。如果水分含量太高，勢(shì)必延長(zhǎng)煅燒時(shí)間來蒸發(fā)多余的水分，這將導(dǎo)致產(chǎn)品有過燒的現(xiàn)象。
將干燥合格的堿式碳酸鋅放置到馬弗爐內(nèi)，分別選擇不同的煅燒溫度和煅燒時(shí)間進(jìn)行條件對(duì)比實(shí)驗(yàn)，得到了如表4所示的一組數(shù)據(jù)。
 
表4　煅燒溫度和煅燒時(shí)間的影響

序號(hào)
煅燒溫度（℃）
煅燒時(shí)間（min）
ZnO（%）
產(chǎn)品外觀
1
500
180
91.21
白色
2
500
240
92.15
白色
3
600
180
94.31
白色
4
600
240
94.58
白色
5
800
180
96.42
淺黃
6
800
240
96.73
淺黃
7
900
180
97.39
黃色
8
900
240
97.56
黃色
9
1000
180
98.50
黃褐色
10
1000
240
98.65
黃褐色
11
1200
180
98.75
黃褐色
12
1200
240
98.86
黃褐色

 
實(shí)驗(yàn)過程中分別選取從500～1200℃的溫度段和從180～240min的時(shí)間段進(jìn)行對(duì)比，其結(jié)果見表4。由表4可知，不同的煅燒溫度和煅燒時(shí)間對(duì)產(chǎn)品的主含量及外觀影響很大。煅燒溫度過低和煅燒時(shí)間過短會(huì)將導(dǎo)致產(chǎn)品的主含量不合格（如表4序號(hào)1～4），這是由于煅燒溫度過低和煅燒時(shí)間過短，產(chǎn)品沒有完全燒透，部分堿式碳酸鋅沒有完全轉(zhuǎn)化為氧化鋅因此主含量不合格。隨著煅燒溫度的升高和煅燒時(shí)間的延長(zhǎng)產(chǎn)品的主含量逐漸升高，但是當(dāng)溫度升高到800℃以上甚至超過1000℃時(shí)（如表4序號(hào)9～12）產(chǎn)品的主含量變化趨勢(shì)并不明顯，反而將導(dǎo)致產(chǎn)品的外觀色澤加深，并且高溫下煅燒勢(shì)必消耗大量熱能這將導(dǎo)致產(chǎn)品能耗增加影響制造成本，不利于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化[7～9]。因此確定本實(shí)驗(yàn)的煅燒條件為：煅燒溫度800℃，煅燒時(shí)間240min。在此條件下制備的產(chǎn)品（前提：浸取液徹底除雜）質(zhì)量指標(biāo)與部頒標(biāo)準(zhǔn)HG/T 2792-1996的比較見表5。
表5 本實(shí)驗(yàn)制備的產(chǎn)品質(zhì)量指標(biāo)與部頒標(biāo)準(zhǔn)比較
指標(biāo)類別
指標(biāo)值
ZnO含量(%)
含鋅量
(%)
PbO含量(%)≤
Cd含量(%)≤
As含量(%)≤
細(xì)度(通過100μm試驗(yàn)篩）%≤
部頒標(biāo)準(zhǔn)（一等品）
99.3
79.8
0.005
0.001
0.001
99.5
本實(shí)驗(yàn)樣品實(shí)測(cè)指標(biāo)
99.5
80.0
0.004
0.001
0.000
99.8
 
2.3 三廢治理
本實(shí)驗(yàn)過程中產(chǎn)生的主要廢渣有浸取液過濾時(shí)產(chǎn)生的金屬氧化物雜質(zhì)，可回收用于制造重金屬無機(jī)鹽；過濾母液主要成分為硫酸鈉，雜質(zhì)含量低，pH在7左右，可通過蒸發(fā)濃縮得到芒硝產(chǎn)品；濾餅洗滌水可回收用于鋅礦粉的化漿，多余洗水不含其它雜質(zhì)，可通過調(diào)節(jié)pH值到7左右，達(dá)到國(guó)家污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)GB8978-1996，實(shí)現(xiàn)達(dá)標(biāo)排放。
3 結(jié) 論
3．1以氧化鋅礦為原料，采用硫酸浸取、碳酸鈉沉鋅制備飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品的工藝路線是可行的。
3．2 重金屬雜質(zhì)采用鋅粉置換，控制鋅粉用量為理論量的3～4倍，分兩段除雜，可以較徹底地除去Pb、Cd、Cu等雜質(zhì)。
3．3 煅燒溫度控制在800℃，煅燒時(shí)間控制在4h，可制備主含量在99.5%以上的飼料級(jí)氧化鋅產(chǎn)品，經(jīng)分析檢測(cè)本實(shí)驗(yàn)樣品，其主要技術(shù)指標(biāo)均達(dá)到了部頒標(biāo)準(zhǔn)HG/T2792-1996飼料級(jí)氧化鋅一級(jí)品要求。
   
 
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