冶金原理

冶金原理 任务驱动21 用共沉淀法净化浸出液上一章

目录 • 任务要点共沉淀法净化

共沉淀法净化 一、分散体系的概念在湿法冶金过程中，物质在溶液中分散成胶体的现象是经常遇到的，例如锌焙砂中性浸出时，产生的Fe(OH)3就是一种胶体。Fe(OH)3在沉淀的过程中能吸附砷、锑共沉。这种利用胶体吸附特性除去溶液中的其它杂质的过程叫做共沉淀法净化。一种物质分散成微粒分布在另一种物质中称为分散体系，被分散的物质叫做分散质，分散质周围的介质叫做分散剂。例如，锌焙砂中性浸出过程中产生的极细微粒氢氧化铁和电解质溶液所组成的体系，就是一种分散体系。溶液也是一种分散体系。

根据分散体系中分散质粒子大小的不同，把分散体系分为下列几类：（1）溶液分散质被分散成单个的分子或离子，其粒子直径在1×10-7cm以下。（2）溶胶又称为胶体溶液，它的分散质是由许多分子聚集而成的颗粒，粒子直径在10-7——10-5之间。（3）悬浊液分散质也是由许多分子聚集而成的颗粒，粒子直径在10-5——10-3cm之间。

溶液是溶质以分子或离子状态分散在溶剂中形成的均相体系，溶质和溶剂没有物理相界面，它是稳定的体系。溶胶与悬浊液都属于胶体范围。在胶体中分散的粒子是许多分子的聚合体，分散质与分散剂之间有物理相界面，它是不稳定的多相体系。胶体的分散质与分散剂可以是固体、液体或气体。在湿法冶金中常遇到的是固体分散质分散在水溶液中所形成的水溶胶。

二、胶体的基本特性 胶体的特性很多，这里只介绍与湿法冶金有关的几个基本特性。 1．胶体的高度分散性与吸附能力胶体中分散质颗粒很小，所以胶体具有高度的分散性，正是这种高度的分散性，使体系中的胶体粒子具有巨大的表面积。这可以用这样的例子来说明，例如有一个立方体粒子的每边长是1cm，则它的总表面积是6cm2。如果将它切成每边长1×10-5cm，则这些小立方体粒子的总表面积是60m2(600000cm2),是原来总面积的100000倍。正是由于胶体粒子具有这样巨大的总表面积，致使胶体粒子具有很大的吸附能力。

通常所说的吸附作用是指固体的吸附作用。固体吸附作用的原因是因为固体内部的微粒与它周围的微粒之间的引力在各方向可相互抵消（如图21-2A粒子所示）。可是表面层的微粒（如图21-2 B粒子所示）受各方向的引力并不相同，因此它能吸引住与它接触的气相或液相中的某些微粒。相同质量的同一物质，其表面积愈大，则吸引能力更强。所以粉碎得很细的固体由于总表面积很大，吸附能力也就增大。如木碳是多孔物质，由于总表面积很大，便具有较强的吸附能力，活性碳的总表面积更大，吸附能力更强。所以，在湿法冶金中常用活性碳来吸附净化除去某些杂质。

图21-2

2.胶体的电泳现象与其带电性 如图9-3所示，将FeCl3水解制得的红褐色Fe(OH)3溶胶装入U型管中，然后插入两根金属电极，接通直流电源后，就发现阴极附近的颜色逐渐变深，表明Fe(OH)3胶体粒子移向阴极。这种胶体微粒受电的作用而移动的现象，称为电泳现象。

从电泳现象可知，在稳定的胶体溶液中，大多数情况下，胶体微粒所带电荷的多少虽有不同，但同一种类的胶体微粒所带电荷的符号却是相同的。电泳实验确定：金属硫化物溶胶的离子一般带负电荷，金属氢氧化物溶胶粒子一般带正电荷。但也有些物质的胶粒因生成的条件不同,所带电荷也不一样,如上述由FeCl3水解,在酸性溶液作用条件下,得到的Fe(OH)3胶体是带正电荷,而在碱性溶液作用条件下,得到的Fe(OH)3胶粒却是带负电荷。

胶体溶液中的胶体之所以会带电，是因为胶体系统具有高度分散性，使胶粒具有巨大的总表面积，从而就有可能选择性地吸附溶液中的一种离子。胶体粒子的带电，正是由于胶体粒子的这种强吸附性所致。对于整个胶体溶液来说是电中性的，这是由于胶粒质点的电荷被溶液中带相反电荷的离子所抵消的缘故。胶体带电对胶体的许多性质发生很大影响，特别是对其稳定性很大影响。

3．胶体的稳定性 在湿法冶金中，时常看到反应生成的沉淀物，其大颗粒很快地下沉，而小颗粒在胶体范围内的粒子却很稳定地存在于电解质溶液中自由运动而不下沉。这种胶体粒子稳定地在电解质溶液中自由运动而不下沉的现象叫做胶体的稳定性。其原因就是因为溶液中高度分散的胶体粒子具有扩散行为，能抵抗重力作用而免于下沉，即有动力稳定性；同时其微小的胶体粒子带电，形成扩散双电层，具有电动电位，能避免质点的聚结，即有不聚结稳定性。两种稳定性的共同作用，就维持了溶胶的稳定。

4．胶体的结构目前对胶体粒子结构理论认识是：胶体粒子中心部分是由许多分子聚集而成的很小的微粒，叫做胶核。在胶核的表面上吸附了一层一定种类的离子，而这种离子又吸引一部分带相反电荷的离子在它周围。这两层离子形成了胶核的吸附层，胶核和吸附层就是胶粒。由于吸附层中直接与胶核接近的离子则在离胶核较远的地方运动，与胶核的联系较弱，它们便形成所谓的扩散层。以硅胶为例的结构示意图。如图9-4所示。具有这种结构的硅胶化学式为： [SiO2]·nSiO2-3,2yH+ 2XH+ 胶核运动时，吸附层的离子和它一起运动，这就是能产生电泳现象的原因。

图21-4

三、胶体的凝聚与吸附 在湿法冶金中，时常产生胶体溶液，这对下一步液固分离，如沉降、过滤带来许多困难。因此，必须想办法使胶体溶液中的微小胶粒互相碰撞，进一步聚结成大粒，这样就会从溶液中迅速沉降，或易于过滤。这种作用叫做胶体的凝集，或者叫做坏胶体。破坏胶体常用的方法有以下几种

1．加电解质由于胶体粒子带有相同符号的电荷，它们互相排斥，而不能结成大颗粒沉降。如果向胶体溶液中加入一种电解质，这样就增加了溶液内离子的浓度，给带电的胶体粒子创造了吸引带相反电荷离子的条件。当它接触或吸引到相反电荷的离子时，胶体粒子所带电荷会部分或全部被中和，因而失去了胶体保持稳定性的条件。这样，胶体粒子在自由运动过程中，由于互相碰撞便会结合形成较大的粒子，造成凝聚而迅速下降。

例如，在锌的湿法冶金浸出过程中，形成的Fe(OH)3胶体（为除铁、砷、锑所必须），这使以后的液固分离造成困难。为了破坏此种胶体，浸出操作时一边加锌焙砂调整PH值，一边看生成的沉淀颗粒大小。当PH值调整到5.0—5.2时，颗粒长大。其原因就在于用锌焙砂调整PH值时，除保证使三价铁能尽可能完全水解沉淀所需要的PH值（约3.5）外，继续加的锌焙砂所产生的电解的电解质，会使Fe(OH)3胶体粒子所带电荷被中和。这时矿浆的PH值也将继续升高，当PH值达到一定值（PH=5.2）时，原来胶体粒子Fe(OH)3所带电荷几乎全部被中和，胶体粒子几乎变为电中性。例如，在锌的湿法冶金浸出过程中，形成的Fe(OH)3胶体（为除铁、砷、锑所必须），这使以后的液固分离造成困难。为了破坏此种胶体，浸出操作时一边加锌焙砂调整PH值，一边看生成的沉淀颗粒大小。当PH值调整到5.0—5.2时，颗粒长大。其原因就在于用锌焙砂调整PH值时，除保证使三价铁能尽可能完全水解沉淀所需要的PH值（约3.5）外，继续加的锌焙砂所产生的电解的电解质，会使Fe(OH)3胶体粒子所带电荷被中和。这时矿浆的PH值也将继续升高，当PH值达到一定值（PH=5.2）时，原来胶体粒子Fe(OH)3所带电荷几乎全部被中和，胶体粒子几乎变为电中性。

控制不好，甚至变为带相异电荷的粒子。胶体粒子呈电中性的状态，称为“等电状态”。在等电状态下最有利于胶体粒子凝聚。胶体粒子呈等电状态时的PH值称为等电点。当PH值等于5.2时，是氢氧化铁的等电点，此时胶体粒子不带电，吸水程度最低，凝结性最好，胶体粒子迅速增大而加快沉降。当PH值<5.2时，氢氧化铁带正电，吸水性强，呈膨胀状，沉淀不好，砷、锑除去不彻底，澄清过滤也困难；当PH值>5.2时，氢氧化铁带负电，同样吸水多，呈膨大的氢氧化铁，凝聚也不好，砷、锑虽除去较彻底，但却影响澄清与过滤。这就是在锌焙砂中性浸出时，要严格控制PH值的原因。控制不好，甚至变为带相异电荷的粒子。胶体粒子呈电中性的状态，称为“等电状态”。在等电状态下最有利于胶体粒子凝聚。胶体粒子呈等电状态时的PH值称为等电点。当PH值等于5.2时，是氢氧化铁的等电点，此时胶体粒子不带电，吸水程度最低，凝结性最好，胶体粒子迅速增大而加快沉降。当PH值<5.2时，氢氧化铁带正电，吸水性强，呈膨胀状，沉淀不好，砷、锑除去不彻底，澄清过滤也困难；当PH值>5.2时，氢氧化铁带负电，同样吸水多，呈膨大的氢氧化铁，凝聚也不好，砷、锑虽除去较彻底，但却影响澄清与过滤。这就是在锌焙砂中性浸出时，要严格控制PH值的原因。

在其它金属的湿法冶金中，往往加Na2CO3、Ca(OH)2等电解质进行中和除铁，同样，也是一种破坏胶体的措施。按此道理，如果不是向胶体溶液中加入另一种带电荷的胶体溶液，当它们相互接触时，也能使胶体粒子所带电核被中和掉，也会促使胶体粒子互相凝聚、长大而迅速下沉。

2．加热胶体溶液 加热电解质溶液可以减弱胶体对离子的吸附能力，从而减少所带电荷数；同时可以增强胶粒的运动能力，这样胶粒之间互相碰撞的机会增多，从而发生凝聚下沉。此外，水溶液胶体，往往吸附水分子，在胶粒周围形成水膜，此水膜也阻碍胶体的凝聚。当加温时，可以破坏此水膜，也能促进胶粒的凝聚。因此，生产上常常采取加热的办法破坏胶体，促进胶粒凝聚长大，而使澄清与过滤较易进行。

3．加凝聚剂 将某些有机物加入胶体溶液中，能使很小的胶体粒子很快就凝聚成大颗粒，这样达到迅速沉降的目的。这种能使胶粒凝聚的物质叫做凝聚剂（又叫凝结剂或凝集剂）。目前，在湿法冶金中常用的凝聚剂是聚丙烯酰胺（即三号凝聚剂）和各种动物胶。在选择凝聚剂时，除了考虑它能加速沉降效果外，还必须考虑对整个湿法冶金特别是对电解过程有没有危害。

由于胶体有很大的吸附性，胶粒除了吸附荷电离子而使其本身带电，促使其稳定，难于凝聚成大颗粒沉降下来外，还能选择性地吸附电解质溶液中的一些有害杂质。这种吸附作用可以被用在生产上净化除去溶液中的杂质。例如，锌焙砂中性浸出时，当Fe(OH)3胶粒在浸出矿浆中形成时，可以优先吸附溶解在溶液中的砷、锑离子，中和到PH值为5.2时，加入三号凝聚剂，当Fe(OH)3胶体凝聚沉降时，便把原先吸附的砷、锑凝聚在一起共同沉降，达到净化除去砷、锑的目的。这种净化方法叫做吸附共沉淀法。它是各种湿法冶金中净化除去溶液中砷和锑常用的方法之一。

砷、锑与铁共沉淀的生产实践表明，砷、锑除去的完全程度，主要决定于溶液中的铁含量。铁含量愈高，溶液中的砷、锑除去得愈完全。一般要求溶液中的铁含量约为砷、锑含量的10—20倍。在生产实践中，还有另外一种共沉现象，就是在电解质溶液中，有两种难溶的电解质共存，当它们的晶体结构相同时，它们便可以生成共晶一起沉淀下来，这种沉淀称为共晶沉淀。例如在锌电解沉积过程中，锌电解液（主要含硫酸锌和硫酸）中含有少量的铅，它会在阴极析出，从而影响电锌质量。为了降低电解液中的铅含量，特向电解液中加入碳酸锶，碳酸锶在硫酸溶液中会转变成难溶的硫酸锶。而硫酸锶与硫酸铅都是难溶硫酸盐，它们的晶体结构相同，晶格大小相似，这样，便可以形成共晶而沉淀下来。

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