氧化鋅的知識

hncs001 · 發表于 2008-4-20 22:48:23

氧化鋅礦制備飼料級氧化鋅的工藝研究

湖南化工職業技術學院化工系/田偉軍

摘　要：研究了以氧化鋅礦為原料，經酸浸、凈化、沉鋅、過濾、洗滌、干燥制得中間產物堿式碳酸鋅，堿式碳酸鋅經煅燒制備飼料級氧化鋅的新工藝。重點考察了制備工藝中酸浸、除雜條件以及煅燒溫度和時間對產品質量的影響。該研究屬全濕法制備飼料級氧化鋅新工藝，具有原料價廉易得、適應性強、生產成本低等優勢，制備的產品質量可達到HG/T 2792-1996飼料級氧化鋅一級品標準，該法充分利用了低品位的鋅資源具有較好的應用前景。
關鍵詞　氧化鋅礦酸浸
凈化
煅燒
飼料級氧化鋅

前言：

飼料級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微粉末。與飼料級一水硫酸鋅和七水硫酸鋅等含鋅飼料添加劑相比，飼料級氧化鋅具有無味、無毒、質細膩、微量元素鋅含量高、產品精細等特點，其生物學利用率高，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對仔豬具有促生長和抗菌作用，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，必將有一個美好的市場前景[1-3]。本文以氧化鋅礦為原料，經酸浸、凈化、沉淀轉化、過濾、洗滌、干燥、煅燒等工序，制備了符合HG/T 2792-1996(一等品)標準的飼料級氧化鋅。

1　試驗部分
1.1
試驗原料及試驗儀器：
①
本試驗的主要原料為氧化鋅礦、硫酸、碳酸鈉、無離子水等，氧化鋅礦主要化學組成見表1。
表1　氧化鋅礦的主要化學組成

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

② 本試驗的主要儀器有：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 試驗原理及步驟
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℃下恒溫攪拌2h，過濾去渣。原料中主要元素多以氧化物形式存在，金屬氧化物發生以下反應：

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

1.2.2浸出液的凈化
根據浸出液的組成，本試驗控制一定的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℃恒溫攪拌下緩慢加入KMnO4溶液，攪拌反應2h，控制溶液pH值至5～5.5，在室溫下靜置陳化3h，這時Fe3+發生反應生成Fe(OH)3沉淀而被除去，反應式如下：
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Pb、Cu、Cd的存在將嚴重地影響飼料級氧化鋅產品的質量，因此必須除去這些雜質離子。本試驗采用鋅粉置換法來除去溶液中的Pb、Cu、Cd等雜質，同時又不會引入新的雜質，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行置換凈化, 為確保雜質凈化徹底采用鋅粉總用量為理論量的3～4倍，每段反應時間20～30min，置換反應方程式如下：

Me2++ Zn → Zn2+
+ Me （Me=Cd、Cu、Pb）

1.3.3沉淀反應
沉淀反應的目的是將ZnSO4轉化為堿式碳酸鋅，直接沉淀法是濕法制備ZnO的一種重要化學方法，它是在可溶性鹽溶液中加入沉淀劑，在一定的反應條件下形成不溶性的氫氧化物或碳酸鹽類從溶液中析出，經熱分解得到ZnO的一種新工藝[4]。本試驗采用碳酸鈉作沉淀劑，生產成本較低，便于實現工業化，反應式如下[5-6]：
3Na2CO3+3ZnSO4+3H2O→3Na2SO4+ZnCO3·2Zn（OH）2·H2O↓+ 2CO2
1.2.4洗滌、干燥與煅燒
將沉淀反應的產物堿式碳酸鋅轉入布氏漏斗進行固液分離，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得到飼料級氧化鋅產品。
2
結果與討論
2.1 凈化結果分析
經過酸浸和凈化工藝后，ZnSO4溶液的雜質含量已經很低（見表3），結果表明本試驗工藝的凈化效果比較理想。飼料級氧化鋅產品對重金屬雜質的含量（Pb、Cd、Cu等）控制相當嚴格，因此原料液的凈化是否徹底將很大程度上影響最終產物的質量。本試驗采用氧化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除去，從而可提高飼料級氧化鋅產品的等級。

表3
精制ZnSO4溶液中主要雜質的含量（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、煅燒及產品性能
干燥及煅燒條件的確定對飼料級氧化鋅產品質量的影響很大。在試驗過程中，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，勢必延長煅燒時間來蒸發多余的水分，這將導致產品有過燒的現象。
將干燥合格的堿式碳酸鋅放置到馬弗爐內，分別選擇不同的煅燒溫度和煅燒時間進行條件對比試驗，得到了如表4所示的一組數據。
表4　煅燒溫度和煅燒時間的影響

序號	煅燒溫度（℃）	煅燒時間（min）	ZnO（%）	產品外觀
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

試驗過程中分別選取從500～1200℃的溫度段和從180～240min的時間段進行對比，其結果見表4。由表4可知，不同的煅燒溫度和煅燒時間對產品的主含量及外觀影響很大。煅燒溫度過低和煅燒時間過短會將導致產品的主含量不合格（如表4序號1～4），這是由于煅燒溫度過低和煅燒時間過短，產品沒有完全燒透，部分堿式碳酸鋅沒有完全轉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間的延長產品的主含量逐漸升高，但是當溫度升高到800℃以上甚至超過1000℃時（如表4序號9～12）產品的主含量變化趨勢并不明顯，反而將導致產品的外觀色澤加深，并且高溫下煅燒勢必消耗大量熱能這將導致產品能耗增加影響制造成本，不利于實現工業化[7-9]。因此確定本試驗的煅燒條件為：煅燒溫度800℃，煅燒時間240min。在此條件下制備的產品（前提：浸取液徹底除雜）質量指標與部頒標準HG/T 2792-1996的比較見表5。

表5
本試驗制備的產品質量指標與部頒標準比較

指標類別	指標值
指標類別	ZnO含量(%)	含鋅量 (%)	PbO含量(%)≤	Cd含量(%)≤	As含量(%)≤	細度(通過100μm試驗篩）%≤
部頒標準（一等品）	99.3	79.8	0.005	0.001	0.001	99.5
本試驗樣品實測指標	99.5	80.0	0.004	0.001	0.000	99.8

2.3 三廢治理
本試驗過程中產生的主要廢渣有浸取液過濾時產生的金屬氧化物雜質，可回收用于制造重金屬無機鹽；過濾母液主要成分為硫酸鈉，雜質含量低，pH在7左右，可通過蒸發濃縮得到芒硝產品；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，可通過調節pH值到7左右，達到國家污水綜合排放標準GB8978-1996，實現達標排放。
3
結論
⑴ 以氧化鋅礦為原料，采用硫酸浸取、碳酸鈉沉鋅制備飼料級氧化鋅產品的工藝路線是可行的；
⑵ 重金屬雜質采用鋅粉置換，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；
⑶ 煅燒溫度控制在800℃，煅燒時間控制在4h，可制備主含量在99.5%以上的飼料級氧化鋅產品，經分析檢測本試驗樣品，其主要技術指標均達到了部頒標準HG/T2792-1996飼料級氧化鋅一級品要求。
參考文獻
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[7]S. Music, S. Popovic, M. Maljkovic, D. Dragcevic Journal of Alloys and Com-pounds 347 (2002)324-332
[8]Wenzel, Franz, Armdt, Peter, Joseph, N-Substiuted, arcyarnides and methacrylamide, Ger.Offen.Pat.2, 816,516
[9]Nitto Riken Industries, Inc. Nitto Chemical Industry Co. Ltd. Methacr ylamide
derivatives having tertiary amino groups, J.P.Pat.81, 100,749
【作者簡介】：田偉軍(1971-)，男，湖南汨羅人，工程師、化學工程碩士，現從事無機精細化工工藝教學和科研工作，發表論文多篇。(本文來自：中國畜牧人論壇, [url=http://www.cqnsfzw.com]http://www.cqnsfzw.com[/url] )

[ 本帖最后由周銀松于 2008-4-22 06:27 編輯 ]