超声波在湿法冶金中的应用进展

1、f 众所周知 ,超声波是机械波的一种,是机械振动在连续介质(气体、液体、固体)中的传播过程 ,其频率一般高于 2 104 Hz。 超声波应用到湿法冶金中涉及到声空化 ,是超声能量与物质间的一种独特的作用形式 , 即液体中空腔的形成、振荡、生长、收缩至崩溃 ,及至引发物理、化学变化。与检测超声不同 ,功率超声是利用超声能量来对物质 进行处理、加工的 ,其最常用的频率范围是几千赫 到几十千赫 ,而功率由几瓦到几万瓦。超声波对浸出过程的影响用每单位面积超声波功率 ( W /cm2 ) 表示 ,而不用声强表示。它的优点是可以增加扩散(反应 )速度和产量 ,并且可加速动力学速度和减 少试剂消耗 ,工艺条

2、件亦较简单 (低温 ,步骤少 )。f 超声波强化浸出过程的机理研究仍然是初步的 ,多处于定性讨论阶段。我们知道 ,已经得到公认的超声场与物质之间的相互作用形式 ,即声空化 2 , 与热能、光能、电能不同 ,它包括稳态空化和瞬态 空化 ,这就为人们对超声场强化浸出过程研究提 供了理论基础。目前科学家认为 ,超声波在湿法冶金中 的强化作用首先是纯的“机械”作用 ,在液体中形 成空腔现象时尤其如此。在液体中形成空腔时 ,不但出现具有湍流特征的水力学急流 ,降低外扩散 阻力 ,而且出现固体被破坏、表面薄膜被消除、晶 体中聚集各类缺陷 (尤其在表面层 )等现象。 在氧化还原过程中亦不能忽视超声波的化学作

3、用 (液体的超声波分解 )。f 与射线类似 ,超声波在水中 传播时 ,波场中的空腔内的水电离的结果也生成超声波。在多相条件下 ,由于超声波的“化学”作用和 “机械”作用结合在一起 ,有时可以获得用其它方法不可能获得的效果。f 秦炜等学者提出了超声强化作用产生的 4个效 应 ,即湍动效应 ,微扰效应 ,界面效应和聚能效应。在湿法冶金中 ,超声空化产生的声冲击波引起体系的宏观湍动和固体颗粒的高速冲撞 ,使边界层 减薄 ,传质速率增大 ,即“湍动效应”;超声空化的 微扰动可能使固液传质过程的“瓶颈” 微孔扩 散得以强化 ,称之为“微扰效应” ; 超声空化产生的微射流对固体表面的剥离、凹蚀作用创造了新

4、的 活性表面 ,增大了传质表面积 ,即“界面效应” f 超声空化的能量聚结产生的局部高温高压能使物质分子与固体表面分子结合键 (如氢键等 )断裂而活化 ,实现传质 ,称之为“聚能效应”。f 孙家寿等人提出 ,用超声波处理技术强化 FeCl3 浸出硫化铜精矿 ,可显著提高铜的浸出率。 常规浸出 16 h ,铜的浸出率仅为 71. 5% ; 经 21 k Hz, 4. 5 w /cm2 超声处理后 ,浸出 12 h, 铜的浸 出率可达 80. 2% 。外国科学家研究了在有超声和无超声的 情况下 ,用尼日尔黑曲酶属菌种浸出印度奥里萨帮红土矿。在最佳工艺参数 ,如孢子浓度 ,葡萄糖 用量 ,矿浆浓度

5、,超声波降解时间条件下 ,无超声波时 ,浸出 20 d,镍的浸出率为 92% ; 用 43 k Hz, 1. 5 W /cm2超声处理 30 min 后 ,在孢子浓度为106个 /m L 和葡萄糖浓度为 2% 条件下浸出 14 d,镍的浸出率高达 95% 。并且超声波作用下镍的 浸出效果比铁的浸出效果好。f 彭少方等人研究了超声作用下盐酸浸出白钨矿的过程。 在 30 75温度范围内考察了温度、 精矿粒度和盐酸浓度对白钨矿浸出过程的影响 , 获得了动力学方程 ,确定了反应体系的表观活化 能为 13. 822 k J/mo l,而无超声振动时的表观活 化能为 83. 057 k J/m ol。试验

6、结果表明 ,超声振动 能够大大提高反应速率 ,降低反应温度和盐酸浓 度 ,并且改善了工作环境。f 外国科学家认为，在 NaO H溶液中 ,用超声波处理铝土矿可以提高微扰作用和提高矿石颗粒的溶解速率 ,然后再用超声波处理溶液 ,可使溶液 中的固体颗粒沉降分离速度加快; 用超声波处理 加晶种的铝酸钠溶液可以提高分解速率和使晶体 生长更均匀。f 赵文焕利用超声波的作用 ,进行了银精矿中金银的氰化浸出小型试验、扩大试验和半工业 试验研究。试验结果表明 ,超声波浸出法具有金银 浸出率高、浸出时间短、氰化钠单耗低等优点。在最佳试验条件下 ,金银浸出率分别为 97% 99% 和 95% 96% ,浸出时间仅

7、是常规氰化浸出时间 的 1 /2,氰化钠单耗降低 10 kg /t。所研制的管式、 槽式强化反应釜可应用于工业生产。 f 另外 ,罗曾义等研究了采用高强度超声波 强化浸出金的过程。 若超声功率和作用区域足够大(相当于单位被处理的矿浆容积言 ) ,经很短时间超声强化处理 ,则可达到所需浸出深度 ,与常 规浸出相比 ,可提高浸出速度几十倍 ,并且可进一 步提高浸出速度和增加处理矿浆量 ,可设计更大 功率的超声设备采用连续式生产工艺流程。f 德国科学家研究了超声场对强化镍萃取过程的影响 ,分别讨论了超声能量、声频率、溶液 p H值、萃取温度和有机相及均匀溶液组成对 萃取速率的影响。 实验中采用 Li

8、x 65N 和 Lix 70N作为萃取剂 ,超声波频率为 20 40 k Hz。 结果表明 ,超声场不影响化学反应机制 ,仅强化动力学过程 ,增加比表面积 ,提高镍萃取速率达 4 7倍。与 机械搅拌条件下的萃取结果相比 ,最终萃取率没有变化。但是 ,超声场对钴萃取过程的影响却有所不同 ,不仅加快了萃取速率 ,而且使最终的萃取率 明显提高。可能的原因是超声场使 Co2+ 氧化成了Co3+ ,改变了原有的平衡关系。f 另外 , Batric Pesic还对超声能量消耗作了评估 ,认为超声能量消耗较大 ,因为短暂超声作用与持续超声作用相同 ,采用短暂超生处理可降低能量消耗。Batric Pesic等

9、在用 Kelex 100溶剂萃取镓 并用超声波处理人工合成溶液和工厂的实际溶液 时发现 ,超声波的作用使镓的萃取速率提高了 15 倍 , 所采用的超声波频率为 20 k Hz, 声强为 19 W /cm2。 试验发现 ,在超声波作用下 ,温度对镓的 萃取速率没有影响 ,而通常的萃取过程中 ,温度升 高对提高萃取速率是有利的。f 井上洁报道,将氯化混合稀土溶液流过与 EDTA混合过的强阴性离子交换柱 ,以 N H4 O H 调节 pH值 ,当溶液通过 30个 10 m 长柱子 10 d时 ,能获得 99. 94% 的钇; 若另施加 42 k A /m 的磁场 , 3 d 就可获得 99. 98% 的钇; 若再进一步施加100 kHz, 2 W /cm2 的超声波 ,则 30 h便可获得99.3% 的钇 ,大大加快了钇的分离过程。f 综上所