近些年, 國內外很多研究者根據鉛鋅冶煉工藝和冶煉渣的化學成分, 開發了多種回收處理鉛鋅冶煉渣的技術方案。鉛鋅冶煉渣處理方法主要分為材料回收、溼法回收和火法回收三種途徑。
1 鉛鋅冶煉渣的材料回收鉛鋅冶煉渣的材料回收是將廢渣直接加工成磚、板材型材、水泥等建材製品以及微晶玻璃材料等, 實現廢渣材料的利用。鉛鋅冶煉渣用作建築材料的原料, 可以大量消耗冶煉廢渣, 有效減少冶煉廢渣的處理。而且工藝過程簡單, 具有良好的經濟效益。
Quijorna等採用迴轉窯煙化法產生的廢渣和鑄造砂代替部分黏土用於磚塊, 摻入窯渣和鑄造砂造磚不僅能有效利用資源, 改善磚在成形過程中的擠壓性能, 而且顯著降低CO2和NOx的排放量。田昕等對摻入鉛鋅冶煉渣生產建築隔牆的輕質條板進行了研究, 使用硼泥和鉛鋅冶煉渣生產裝飾材料, 使用鉛鋅冶煉渣生產製作砌築砂漿和混凝土多孔磚等途徑對冶煉渣進行利用。肖忠明等分析了鉛鋅冶煉渣的成分, 並從抗壓強度、水泥的凝結時間、膠砂的流動度、水泥與減水劑的相容性以及耐久性等方面考查了摻入鉛鋅冶煉渣生產的混合水泥的性能。何小芳等指出鋅渣的化學成分穩定且氧化鐵的含量較高, 可以替代鐵粉作為生產水泥的原材料。Francis等採用差示掃描量熱分析、掃描電鏡、透射電鏡、X射線衍射、能量色散譜以及拉曼光譜等手段研究了冶煉廢渣製備的微晶玻璃材料的性能, 對製備玻璃的結晶過程機理進行了研究。Karamberi等研究了使用鋼渣、鐵鎳渣與褐煤粉煤灰生產玻璃和微晶玻璃材料。
材料回收冶煉廢渣生產建築材料與微晶玻璃, 不僅可以消耗大量廢渣, 也能增加建材製品和微晶玻璃的樣品種類, 並且具有一定經濟效益。由於冶煉廢渣中含有一定量的有害元素, 冶煉廢渣製備的建築材料的使用過程, 可能釋放具有毒性的金屬元素, 存在安全隱患, 並且沒有充分利用金屬資源。
2 鉛鋅冶煉渣的溼法回收常用的冶煉廢渣溼法回收主要包括酸性和鹼性浸出以及微生物浸出。冶煉渣的溼法浸出主要分為浸出階段、淨化階段和沉積階段。浸出過程是使用合適的溶劑將冶煉過程的中間產物選擇性地進行溶解, 使原料中的有價成分或者有害雜質進入溶液中, 淨化工序是沉積過程前除去溶液中的雜質, 沉積過程通常採用電解法。
Chor等通過軟體模擬和實驗研究了使用含水二氧化硫溶解有色冶煉渣中的金屬鐵、鈷和鎳, 表明鐵元素可以從亞硫酸鹽系統中移除且溶液中的鈷和鎳元素可以得到富集, 較低的溫度和離子強度可以促進沉澱的形成。Jiang等究了使用硫酸和EDTA-Na2相結合的溶液從鋅冶煉渣中有效提取有價金屬的新方法, 鎘、銅、鐵和鋅的提取率分別為88.3%、54.1%、69.6%和54.7%, 鉛的提取率僅為0.05%, 加入0.1 mol/L EDTA-Na2溶液並進行兩步浸出過程時, 鉛的提取率可以達到66.5%。
有關人員研究了採用酸浸出和鹽水浸出兩道工序從浸出渣中提取有價金屬的合適方法, 在不同體系中考察了介質濃度、反應溫度、反應時間和固液比等因素對鋅或鉛提取率的影響, 在最佳工藝條件下鋅和鉛的提取率分別達到71.9%和98.9%。Ettler等研究了再生鉛冶金過程中產生廢渣的浸出行為, 發現這種冶金廢渣在溶液的作用下發生了複雜的溶解和相轉變過程。佔壽祥等對硫鐵礦燒渣的酸性浸出過程進行了反應動力學研究, Fe2O3與H2SO4的反應是浸出金屬鐵過程的控制步驟, 該反應受顆粒縮核縮芯擴散控制。
鹼性浸出法回收冶煉廢渣中的金屬時, 通常使用碳酸銨、氯化銨和燒鹼等進行浸出。胡慧萍等通過鹼性浸出法從含鋅廢催化劑中提取鋅, 最佳工藝條件下鋅的提取率達到90%。張承龍等研究了採用不同固體廢渣生產高純度鋅粉的鹼浸—電解方法, 並建設了2 000 t/a的鹼浸—電解生產鋅粉的示範廠, 鋅浸出率大於90%, 實現鹼浸—電解生產鋅粉技術的產業化。
微生物浸出是利用自然界中的某些微生物從礦物或廢渣等原料中提取金屬的方法。郭朝暉等採用微生物浸出法從鉛鋅冶煉渣的浸出液中提取金屬銅、鎵、銦和鋅等, 得到在p H值為1.5、溫度為64.85℃、渣濃度5%以及浸出時間4 d的最佳條件下, 銅、鎵、銦和鋅的提取率分別為95.5%、80.2%、85%和93.5%。Vestola等對銅和鋼冶煉廢渣進行了微生物浸出實驗研究, 考察了菌種、p H值、補充亞鐵離子和硫、氯化鈉以及原料類型等因素對浸出效果的影響。Cheng等採用微生物浸出法對鉛鋅冶煉渣進行處理, 研究了有效回收金屬和去除有害元素的可行性, 鉛鋅冶煉渣中超過80%的鋁、砷、鋅、銅、鐵和錳金屬被浸出。Kaksonen等採用微生物浸出法回收銅冶煉廢渣中的金屬, 在合適條件下, 金屬鐵、銅、鋅和鎳的浸出率分別為41%、62%、35%和44%。
採用溼法回收冶煉廢渣中的金屬時, 控制合適的條件可以得到較高的回收率, 且浸出過程速度快、投資低。但是, 採用酸性浸出法處理會消耗大量的酸, 對於含矽和鐵等雜質元素較高的渣料, 目標金屬的浸出率低, 浸出過程容易形成氫氧化鐵以及矽膠, 導致礦漿的處理過程更加複雜。對於矽含量較高的物料, 在高鹼濃度浸出過程中也存在著固液分離困難的問題。
3 鉛鋅冶煉渣的火法回收鉛鋅冶煉渣可採用火法冶金的方法進行回收處理。火法回收具有工作溫度區間大、反應速度快、物相分離方便以及產生的爐渣穩定等優點。火法回收鉛鋅冶煉渣的工藝包括迴轉窯揮發法、煙化爐煙化法、基夫賽特法、電爐法以及奧斯麥特熔池熔煉法等。
迴轉窯揮發法是將冶煉渣物料與焦粉混合均勻後在迴轉窯中加熱, 使鋅、鉛和鍺等金屬元素進行還原, 然後回收揮發的氣態氧化物。迴轉窯揮發法處理鉛鋅冶煉渣具有很大的局限性, 例如對爐料有一定要求、耐火材料損耗大、燃料消耗量巨大、窯壁黏結嚴重導致窯齡短, 目前, 採用迴轉窯揮發法處理鉛鋅冶煉渣的企業很少。
煙化爐煙化法處理鉛鋅冶煉渣的實質是鉛和鋅的還原揮發, 影響煙化過程的主要因素有煙化溫度、鼓風強度、還原劑、原料渣的成分以及吹煉時間等。高溫煙氣、氧化鋅煙塵和棄渣是爐渣在進行煙化過程時的主要產物。王振東等採用煙化法對鼓風爐煉鉛渣的回收處理進行了研究, 考查了煙化溫度、焦炭耗量和煙化時間等因素對銦揮發率的影響, 最佳工藝條件下鋅和銦的揮發率分別為83%和77%。劉博等對煙化法搭配處理礦粉浸出渣的可行性進行研究, 銦、鉛和鋅的回收率分別可達60%、80%和65%。
基夫賽特法對爐料的適應性比較大, 可以搭配處理不同品位的鉛精礦和不同種類的鉛鋅冶煉渣 (如鉛銀渣、鋅浸出渣和含鉛煙塵等) 。加拿大Cominco公司研究了採用基夫賽特法搭配處理浸出渣煉鉛的效果, 將鉛精礦與浸出渣混合後進行乾燥、細磨、噴入基夫賽特爐的反應塔中, 金屬鉛和銀進入粗鉛。株洲冶煉集團與中南大學對基夫賽特工藝進行吸收和改進, 以鋅浸出渣和鉛精礦為原料, 利用鉛精礦的自熱、鋅浸出渣中硫的燃燒熱和兩種原料中化學成分的交互反應, 對鋅浸出渣中的有價金屬進行有效回收。
美國的Herculaneum煉鉛廠最先採用電熱煙化法處理冶煉渣, 電熱煙化法對做還原劑的焦炭有一定要求, 並且要求電爐嚴格密封。電熱煙化工藝對鋅含量高的爐渣經濟性好, 由於電能消耗比較大, 該工藝適用於電價較低廉的地方。
熔池熔煉技術主要用於銅的熔煉吹煉、精礦熔煉、以及廢蓄電池、浸出渣、含鉛鋅煙塵等廢渣中金屬的回收。劉群等通過熱力學計算和實驗對熔池熔煉工藝涉及的脫硫和還原過程進行研究, 為採用熔池熔煉工藝回收煉鉛渣與沉鐵渣中的金屬資源提供重要依據。
鉛鋅冶煉渣經過火法回收過程, 基本可以實現冶煉廢渣的無害化和減量化, 對環境危害的程度大大降低, 鉛鋅冶煉渣的火法回收依舊是工業應用的主要技術。由於火法回收工藝能耗高, 並且會產生一定廢氣和廢渣, 對環境產生一定汙染, 對現有工藝的改進是火法工藝的必要途徑。