浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)

1、浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)研究浸出過(guò)程的速度和機(jī)理的科學(xué)。為冶金過(guò)程動(dòng)力學(xué)的一個(gè)分支。研究浸出過(guò)程動(dòng)力學(xué)的目的在于查明影響浸出速度的因素和浸出過(guò)程的控制步驟，為強(qiáng)化浸出過(guò)程、提高浸出技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)指明方向。 浸出過(guò)程的動(dòng)力學(xué)模型 浸出過(guò)程屬?gòu)?fù)雜的多相反應(yīng)過(guò)程，有固相和液相參加的多相反應(yīng)過(guò)程及有氣相、固相、液相參加的多相反應(yīng)過(guò)程。獨(dú)居石的堿分解 REPO4 (s +3NaOH (aqRE (OH3 (s +Na3PO4 (aq 屬前者; 閃鋅礦加壓氧化ZnS (s +2H+1/2O2Zn2+H2O+S°(s 浸出屬后者。液固反應(yīng)的浸出過(guò)程可用核收縮模型表示(見(jiàn)圖。從圖可知，浸出過(guò)程需經(jīng)歷的步驟有：(

2、1浸出劑通過(guò)邊界層向礦粒表面擴(kuò)散(外擴(kuò)散;(2浸出劑進(jìn)一步擴(kuò)散通過(guò)固膜到未反應(yīng)核表面(內(nèi)擴(kuò)散;(3浸出劑與未反應(yīng)的礦物進(jìn)行反應(yīng);(4生成的不溶性產(chǎn)物使固膜加厚，可溶性產(chǎn)物擴(kuò)散通過(guò)固膜到礦粒表面(內(nèi)擴(kuò)散;(5可溶性產(chǎn)物擴(kuò)散通過(guò)邊界層進(jìn)入溶液本體 (外擴(kuò)散。 礦粒浸出過(guò)程的模型示意圖1液固相邊界層;2固膜(浸出的固態(tài)生成物及殘留物3未反應(yīng)核;1浸出劑擴(kuò)散層厚度;2固膜厚度;1可溶性浸出產(chǎn)物的擴(kuò)散層厚度;C0、C1、C2分別為浸出劑在溶液相、礦粒表面和未反應(yīng)核表面的濃度;C0、C1、C2分別為可溶性浸出產(chǎn)物在溶液相，礦粒表面和未反應(yīng)核表面的濃度這些步驟的速度可分別用下式表示： v1D1 (C0-C1

3、 /1 (1 v2D2 (C1-C2 /2 (2v3k(C2-C2/K(設(shè)浸出反應(yīng)為一級(jí)反應(yīng)(3 式中k為反應(yīng)的速度常數(shù)，K為反應(yīng)的平衡常數(shù)，D1、D2分別為浸出劑在邊界層和固膜的擴(kuò)散系數(shù)，D1、D2分別為反應(yīng)可溶性產(chǎn)物在邊界層和固膜的擴(kuò)散系數(shù)，為化學(xué)反應(yīng)比例系數(shù)。 在穩(wěn)定狀態(tài)下，各步驟速度相等，且等于浸出過(guò)程的總速度v0。當(dāng)浸出反應(yīng)的平衡常數(shù)K很大時(shí)，根據(jù)反應(yīng) (1 (5式可得出浸出過(guò)程的總速度 分母中一、二、三項(xiàng)分別反映著外擴(kuò)散、內(nèi)擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)步驟對(duì)浸出過(guò)程的阻力。當(dāng)1/D1項(xiàng)的數(shù)值大大超過(guò)其他項(xiàng)時(shí)，說(shuō)明在各步驟中外擴(kuò)散的速度最慢，整個(gè)過(guò)程的速度決定于外擴(kuò)散速度，或者說(shuō)過(guò)程屬外擴(kuò)散控制。

4、同理，當(dāng)2/D2或1/k項(xiàng)的數(shù)值大大超過(guò)其他項(xiàng)時(shí)，過(guò)程便屬內(nèi)擴(kuò)散或化學(xué)反應(yīng)控制。當(dāng)兩個(gè)步驟都很慢且速度大體相等時(shí)，過(guò)程便為這兩步驟混合控制。 過(guò)程的控制步驟不同，用以表示浸出過(guò)程的浸出率與浸出時(shí)間及其他參數(shù)關(guān)系的動(dòng)力學(xué)方程式也不一樣;且浸出反應(yīng)的表觀活化能亦不同。例如，過(guò)程屬化學(xué)反應(yīng)控制時(shí)，表觀活化能一般大于42kJ/mol; 內(nèi)擴(kuò)散或外擴(kuò)散控制時(shí)，表觀活化能小于42kJ/mol。根據(jù)實(shí)測(cè)的動(dòng)力學(xué)方程或浸出反應(yīng)的表觀活化能便可判斷過(guò)程的控制步驟。 浸出過(guò)程的動(dòng)力學(xué)方程 有化學(xué)反應(yīng)控制的動(dòng)力學(xué)方程和固膜擴(kuò)散(內(nèi)擴(kuò)散控制的動(dòng)力學(xué)方程。 化學(xué)反應(yīng)控制的動(dòng)力學(xué)方程 對(duì)化學(xué)反應(yīng)控制的不可逆反應(yīng)(設(shè)為一級(jí)

5、反應(yīng)，浸出過(guò)程的單位時(shí)間內(nèi)被浸出的物質(zhì)量為 式中W、S、C分別為浸出時(shí)間t時(shí)未反應(yīng)礦的質(zhì)量、表面積及浸出劑濃度。 設(shè)礦粒為均勻球形，根據(jù)質(zhì)量W與礦粒半徑r的關(guān)系及浸出量與浸出分?jǐn)?shù)的關(guān)系，且設(shè)浸出過(guò)程中浸出劑過(guò)量很大，C基本不變，即C=C0，解微分方程(7 可得屬化學(xué)反應(yīng)控制的動(dòng)力學(xué)方程式： 式中為浸出分?jǐn)?shù)，為礦粒密度，r0為開(kāi)始浸出時(shí)礦粒的半徑，k為常數(shù)。 式(8適用于浸出物料為均勻球形顆粒的情況，其他形狀的均勻顆粒的動(dòng)力學(xué)方程為： 式中Fp為顆粒的形狀系數(shù)。對(duì)扁平狀的Fp取1，長(zhǎng)度大大地大于直徑的柱狀顆粒的Fp取2。 固膜擴(kuò)散(內(nèi)擴(kuò)散控制的動(dòng)力學(xué)方程 當(dāng)浸出過(guò)程為固膜擴(kuò)散控制時(shí)，浸出速度決定

6、于固膜擴(kuò)散的速度。根據(jù)菲克定律并考慮到單位時(shí)間內(nèi)擴(kuò)散的量與反應(yīng)量成正比，便可推導(dǎo)出固膜控制的動(dòng)力學(xué)方程： 式中M為礦物的摩爾質(zhì)量，D2為浸出劑或生成物在固膜內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)，為比例系數(shù)。 浸出過(guò)程的強(qiáng)化 首先要找出浸出過(guò)程的控制步驟，針對(duì)控制步驟采取有效措施。例如，當(dāng)控制步驟為固膜擴(kuò)散時(shí)，根據(jù)式(9，強(qiáng)化過(guò)程的主要措施應(yīng)當(dāng)是減少礦粒的粒度(r0，加大浸出劑濃度(C0，提高溫度以增大擴(kuò)散系數(shù)D2。 研究表明，在一些有氧化-還原反應(yīng)的浸出過(guò)程中，某些物質(zhì)能起加快浸出速度的催化作用。例如硝酸能起加快硫化礦氧浸出過(guò)程的催化作用，F(xiàn)e3+能起加快含VO2礦堿浸過(guò)程的催化作用。 20世紀(jì)60年代以來(lái)，許多學(xué)者證明，采用各種方法將礦物活化能有效地強(qiáng)化浸出過(guò)程。主要活化方式有機(jī)械活化、超聲波活化、熱活化，這些活化有的已用于工業(yè)生產(chǎn)。 機(jī)械活化 當(dāng)?shù)V物受到機(jī)械力作用，例如在磨礦過(guò)程中受到撞擊時(shí)，其晶格產(chǎn)生歪斜和缺陷，晶格的有序化程度降低，礦物處于相應(yīng)高能位的活性狀態(tài)，與浸出劑反應(yīng)的速度大為加快。 超聲波活化 在浸出過(guò)程中對(duì)浸出系統(tǒng)加以超聲波振蕩能使礦粒產(chǎn)生裂紋，加速礦粒表面生成物的剝離，加快顆粒與溶液間的傳質(zhì)作用，能大大加快浸出過(guò)程的速度。 熱活化 將欲浸出的礦物原料