湿法炼锌中浸出过程的基础理论（四）

    漫出过程的动力学
    浸出过程是由含锌的固体物料（如锌焙砂或氧化锌矿等）与溶液（如稀硫酸）所产生的多相反应。其特点是：溶液与锌物料的化学反应是在相与相的界面上进行，此时被溶解的固体表面上便形成一层薄的饱和溶液层（扩散层），于是固体物料被饱和溶液层所包围，此后离子须经饱和层向内部扩散和饱和层溶液中的离子向外扩散，方能使溶解过程继续进行。因此浸出过程的机理和步骤可以理解为：
   （1)稀硫酸在固体（原料）的表面上吸附（包括孔隙及毛细管）；
   （2)在二者接触的表面上，稀硫酸与固体（锌原料）进行化学反应，生成硫酸盐并溶入溶液；
   （3)随之固体表面上溶液层不断富集硫酸盐，并在固体表面上形成一层薄的硫酸盐饱和液层（一般称为扩散层）；
   （4）硫酸盐饱和层，阻碍着焙砂与稀硫酸的接触；
   （5）依靠饱和溶液离开界面向溶液扩散以及硫酸向饱和溶液层的扩散作用，使原料的溶解反应继续进行。
    由此可知，锌物料浸出是由两个阶段所组成的，即由稀硫酸与锌原料中金属化合物的化学反应阶段和生成的金属硫酸盐溶解并进人溶液的扩散阶段组成。[next]
    在浸出过程中浸出速率，也是由化学反应速率和扩散速率所决定。
    A  扩散速率
    按菲克定律，溶剂向物料表面单位面积的扩散速率可用下式表示：
                                     dc     D
                                            ξ _D= - —— = — (c-c_s) = k_D(c-c_s)                 (4)
                                                         dt     δ

    式中 ξ_D——扩散速率（对物料总表面积计）；
          c——溶液中硫酸的浓度；
              c_s——矿物表面硫酸的浓度；
             δ——扩散层的厚度；
                D——扩散系数（浓度梯度等于1的扩散速率）；
         k_D——扩散或传质速率常数k_D=D/δ；
          t——浸出时间。
    B  化学反应速率
    浸出过程中，在锌物料表面上发生化学反应时，其反应速率由质量作用定律，可表示如下：
                                          dc
                                                                            ξ_k = —— k_K·C_sⁿ                                                     （5）
                                                                                      dt

    式中   ξ_k ——单位时间内，矿物总表面上发生化学反应而引起的溶剂浓度降低，即为化学反应速率；
                 k_K——化学动力学阶段的速率常数；
             n——反应级数。[next]
    浸出过程在经过一段时间之后，便建立起稳定状态，在该情况下，化学反应速率与扩散速率相等，即过程的宏观速率为：
                                               dc
                                                                     ξ = ξ_k = ξ_D = - ——                    （6）
                                               dt

    由此根据式（4)和式（5)便可得到：

                                   k_D（c-c_s）＝k_Kc_sⁿ                    （7）

    焙烧矿在硫酸中浸出过程，当反应速率服从一级反应时，即n=1。
    由上式求得：
                                          kD
                                   c_s = ————·c                     （8）
                                         k_D+k_K

    将式（8）代入式（7)得
                                    dc   k_K·k_D
                                                             ξ = -—— = ————·c = kc                             （9）
                                    dt   k_D + k_K

    综合上述各种能增大化学反应速率常数或增大扩散速率常数的因素，均能促使过程进入不同速率控制区。一般对浸出过程的酸溶反应而言，温度升高可使反应速率增大，可以认为温度对反应速率的影响主要是影响了反应速率常数k值。当温度升高时k值增加。范荷甫原则认为：通常反应温度每升高10℃，反应速率大约增加2~4倍。
    当计算铁酸锌Zn0·Fe₂ 0₃的酸溶反应活化能时，可知酸溶温度由40`C升高到50℃或由60℃升高到70℃，反应速率常数的温度系数分别是2.01及1.84，计算的结果表明升高温度,ZnO·Fe₂0₃的分解速率将成倍地增加，升高温度对铁酸锌的溶解是十分有利的。
    参考文献：
    1 梅光贵，王德润，周敬元，王辉编著，湿法炼锌学.长沙：中南工业大学出版社，2001
    2  彭荣秋主编.有色金属提取冶金手册（锌、镉、铅、铋卷）.北京：冶金工业出版社，1992
    3  胡熙庚主编.有色金属硫化矿选矿.北京：冶金工业出版社，1987
    7 中国冶金百科全书（有色金属冶金卷）.北京：冶金工业出版社，1999
    8  徐采栋，林蓉，汪大成编著.锌冶金物理化学.上海：上海科技出版社，1979