Гидрометаллургический способ получения цинка включает следующие ос- новные процессы: обжиг цинковых концентратов, выщелачивание обожженного концентрата в отработанном электролите, очистку раствора, электролитическое выделение цинка из раствора, переплавку катодного цинка.

Решающим звеном в гидрометаллургическом производстве цинка является процесс выщелачивания. От него в значительной мере зависят технико-

экономические показатели производства, в первую очередь извлечение и качество металла, расход электроэнергии и другие затраты.

Цель выщелачивания – возможно более полно перевести в раствор цинк и некоторые сопутствующие ценные компоненты при минимальном загрязнении раствора примесями, оказывающими вредное влияние на последующие операции получения чистого металлического цинка.

В гидрометаллургии цинка под переделом «выщелачивание» подразумева- ют совокупность ряда таких операций, как растворение окиси цинка и других компонентов из огарка, отстаивание, сгущение и фильтрация пульпы, гидролити- ческая очистка растворов сульфата цинка от примесей, а также другие производ- ственные операции, связанные с подготовкой растворов для последующего про- цесса электроосаждения цинка.

При выщелачивании огарка и цинксодержащих возгонов (вельц-окись, шла- ковозгоны) в отработанном электролите (H₂SO₄ до 150 г/л) происходит растворе- ние окислов цинка и других металлов. Цинковый раствор отделяют от твердого остатка отстаиванием или фильтрацией и подают на очистку от примесей, а кек после фильтрации и промывки направляют на дальнейшую переработку.

В связи с различным содержанием в цинковом огарке, возгонах и пылях цинка, свинца, мышьяка, сурьмы, хлора и фтора, выщелачивание этих продуктов на заводах проводят преимущественно раздельно: цинкового огарка – в основном рудном цикле, а возгонов и пылей – в другом – пылевом цикле.

Скорость выщелачивания обожженного цинкового концентрата при пере- мешивании с растворителем в основном определяется величиной поверхности ча- стиц огарка, т.е. крупностью и концентрацией серной кислоты в растворе. Чем мельче зерна огарка, тем быстрее проходит процесс выщелачивания. Поэтому процессу выщелачивания всегда предшествует классификация огарка, т.е. выде- ление из него крупных частиц, которые либо измельчают, либо выщелачивают в отдельном цикле. В результате процесса выщелачивания огарка получаются не- растворимый осадок (цинковый кек) и раствор.

Основные реакции между серной кислотой и соединениями металлов, нахо- дящихся в обожженном концентрате:

1. Соединения цинка. В огарке цинк находится в основном в форме: ZnO (окись цинка), ZnSO₄ (сульфат цинка), ZnO Fe₂O₃ (феррит цинка), 2ZnO SiO₂ (силикат цинка) и ZnS (сульфид цинка).

Окись цинка растворяется в серной кислоте по реакции:

ZnO + H₂SO₄ = ZnSO₄ + Н₂O

Сульфат цинка (ZnSO₄) легко растворяется в воде без расхода кислоты. Феррит цинка (ZnO Fe₂O₃) в слабой серной кислоте (т.е. в условиях нейтрально- го и кислого выщелачивания) растворяется плохо и практически целиком перехо- дит в твердый остаток. Для растворения цинка из ферритных соединений необхо- дима высокая концентрация серной кислоты (150 г/л и более) и повышенная тем- пература (80-90°С). Силикат цинка 2ZnO SiO₂ хорошо растворяется в серной кислоте, загрязняя растворы кремнеземом. Сульфид цинка (ZnS) в разбавленных растворах серной кислоты практически не растворяется и полностью переходит в нерастворимый остаток цинковый кек.

2. Соединения кадмия ведут себя подобно соединениям цинка. В результате реакции: CdO + H₂SO₄=CdSO₄ + Н₂О

В раствор переходит до 70-80% кадмия от содержания его в огарке. Феррит и сульфид кадмия в слабой серной кислоте нерастворимы.

3. Соединения меди. В процессе выщелачивания соединения меди перехо- дят в сернокислый раствор в виде сульфатов. В раствор переходит 50-60% всей имеющейся меди в огарке, остальная медь остается в кеке (феррит и сульфид ме- ди).

4. Соединение железа. Всего в раствор переходит 4-5% железа от содержа- ния его в огарке, т.к. при окислительном обжиге большая часть железа принимает форму окиси – практически нерастворимой в разбавленной серной кислоте.

5. Соединения мышьяка и сурьмы. Мышьяк и сурьма находятся в огарке в форме – трехокисей, пятиокисей. Трехокисные соединения мышьяка и сурьмы растворяются в процессе выщелачивания. Пятиокиси этих металлов менее рас- творимы в разбавленных растворах серной кислоты, поэтому они в основном пе- реходят в кек.

6. Никель, кобальт и марганец также переходят в раствор при выщелачива- нии огарка.

7. Свинец и кальций присутствующие в огарке, при выщелачивании обра- зуют сульфаты, остающиеся в цинковых кеках из-за их низкой растворимости в растворе.

8. Соединения калия, натрия, магния, а также хлористые и фтористые со- единения легко растворяются и накапливаются в растворах, что требует их перио- дического удаления из цикла производства.

9. Рассеянные элементы – таллий, галлий, индий, германий – частично пе- реходят в раствор при выщелачивании, и в дальнейшем требуется принятие мер по их извлечению из раствора до процесса электролиза цинка.

10. Кремнезем содержится во всех цинковых концентратах. В свободном виде он не взаимодействует с серной кислотой, но, будучи связан с окислами свинца и цинка в силикаты, легко растворяется. Наличие большого количества кремнезема в пульпе ухудшает ее отстаивание и затрудняет фильтрацию раство- ров. Для уменьшения перехода кремнезема в раствор рекомендуется вести обжиг концентратов при пониженной температуре, а для лучшего осаждения уже пере- шедшего в раствор кремнезема подогревать кислые растворы до температуры 70°С.

Все применяемые в практике гидрометаллургии цинка технологические схемы для выщелачивания огарка и возгонов различаются тремя основными осо- бенностями: способом выщелачивания (непрерывный или переодический), коли- чеством стадий (одно-, двух- и трехстадийные схемы) и кислотным режимом (концетрацией серной кислоты в растворе).

Способ переодического выщелачивания характеризуется точной дозировкой огарка и кислоты на каждую операцию выщелачивания, прерывистым проведени- ем операции. Процесс проводят в баках с механическим перемешиванием. Перио- дическое выщелачивание, как более гибкий процесс, целесообразно использовать

при переработке сырья с повышенным содержанием примесей, вызывающих при непрерывном процессе большие трудности.

При непрерывном процессе выщелачивания огарок (или возгоны) и кислый раствор поступают на выщелачивание непрерывно в заданном массовом или объ- емном соотношении. При этом пульпа проходит несколько последовательно уста- новленных чанов с пневматическим или механическим перемешиванием. Регули- рование режима выщелачивания осуществляют путем изменения соотношения исходных материалов.

Непрерывное выщелачивание позволяет более эффективно использовать гидрометаллургическое оборудование, так как при этом исключаются простои на заполнение и опорожнение аппаратуры, можно осуществить полную автоматиза- цию управления технологическим режимом, максимально сохранить тепло экзо- термических реакций для последующих производственных операций. Данным способом можно успешно перерабатывать только высокосортное сырье стабиль- ного состава.

При одностадийном выщелачивании огарок выщелачивают в одну стадию отработанным электролитом с добавкой небольшого количества оборотных рас- творов и промывных вод.

Двухстадийная схема выщелачивания является в настоящее время наиболее распространенной. На первой стадии обычно проводится нейтральное выщелачи- вание, на второй – кислое. В стадии нейтрального выщелачивания огарок пере- мешивают с оборотными растворами второй, кислой стадии, в смеси с отработан- ным электролитом и др. оборотными растворами (бедно-кадмиевые растворы, фильтраты дисковых и рамных фильтров, растворы пылевого цикла) и заканчи- вают нейтрализацией пульпы до рН 4,8-5,2 загрузкой избытка огарка. При нейтральном выщелачивании в раствор переходят полностью сульфат цинка и часть оксида цинка. Эта стадия выщелачивания преследует цель – получение очищенного раствора от гидролизуемых примесей (железо, мышьяк, сурьма, ча- стично медь и др.). После отделения основной части раствора от твердого остатка (путем отстаивания в сгустителях) к сгущенной нейтральной пульпе добавляют отработанный электролит и проводят вторую (кислую) стадию. В стадии кислого выщелачивания довыщелачивается оксид цинка, а также другие примеси содер- жащиеся в огарке, которые переходят в раствор в виде соответствующих сульфа- тов. Если после нейтрального выщелачивания содержание цинка в твердом остат- ке составляет 26-32%, то после кислого выщелачивания содержание цинка снижа- ется до 16-23%.

Назначение кислого выщелачивания - перевод максимального количества цинка в раствор при минимальном извлечении в раствор примесей, что достигает- ся проведением кислого выщелачивания с конечной кислотностью 1-3 г/л H₂SО₄.

Трехстадийную схему выщелачивания применяют цинковые заводы, пере- рабатывающие цинковые кеки гидрометаллургическим способом при высокой температуре и кислотности растворов.