第二章矿石浸出过程基本理论 (每三学时加一间隔)

1、2、矿石浸出过程基本理论、矿石浸出过程基本理论 2.1 化学反应进行的方向和程度化学反应进行的方向和程度2.1.1 标准生成热或标准生成焓标准生成热或标准生成焓化学反应中除物质种类的变化外，还有能量的变化，这种由化学反应中除物质种类的变化外，还有能量的变化，这种由于发生化学反应而放出或吸收的热量，叫反应的热效应。于发生化学反应而放出或吸收的热量，叫反应的热效应。 在在298K（25C0）和）和1大气压下，由稳定的单质生产大气压下，由稳定的单质生产1摩尔化摩尔化合物是时所吸收或放出的热量叫准生成热或标准生成焓，用合物是时所吸收或放出的热量叫准生成热或标准生成焓，用Hf0记之。记之。 说明：说明：

2、、稳定单质的生成焓（热）为、稳定单质的生成焓（热）为0，但单质自身发生结构，但单质自身发生结构变化时，也存在热效应，如：变化时，也存在热效应，如：C(石墨石墨) C（金刚石）（金刚石） Hf01.9Kj.mol-1、许多化合物的、许多化合物的Hf0可在化学手册中查到。可在化学手册中查到。、焓变、焓变H（或（或Hf0）Hf0生成物生成物Hf0反应物反应物如：如：CH4(g)=C(石墨石墨)+2H2（g） Hf074.8 Kj.mol-1、热化学方程式、热化学方程式注明了反应物和生成物的状态和摩尔数、在反应方程式的右边用注明了反应物和生成物的状态和摩尔数、在反应方程式的右边用H表示体系能量变化的方

3、程式。表示体系能量变化的方程式。 如：如：CaO(s)+H2O(l)=Ca(HO)2(s) H=65.3 Kj.mol-1 CaCO3(S)=CaO(S)+CO2(g) H=178.0 Kj.mol-1即：热化学方程式不仅记录了化学反应中物质的变化，也记即：热化学方程式不仅记录了化学反应中物质的变化，也记载了化学反应中能量的变化，它既质量守恒定律，也符合能载了化学反应中能量的变化，它既质量守恒定律，也符合能量守恒定律。量守恒定律。 2.1.2、热效应的计算、热效应的计算 直接测定法：直接测定法：H2O(l)=H2O(g) H=44.0 Kj.mol-1H2(g)+O2(g)=H2O(l) H=

4、285.8 Kj.mol-1C(s)+O2(g)=CO2(g) H=393.5 Kj.mol-1CO（g）+O2(g)= CO2(g) H=283 Kj.mol-1C(石墨石墨)+O2(g)= CO(g) H=？ 因石墨与因石墨与O2反应不可能控制它只生成反应不可能控制它只生成CO而不生成而不生成CO2，故很难，故很难测定，这类反应用盖斯定律计算。测定，这类反应用盖斯定律计算。 、间接计算法、间接计算法a 盖斯定律：化学反应的热效应只与反应物和生成物的种类、状态和物质变盖斯定律：化学反应的热效应只与反应物和生成物的种类、状态和物质变化的量有关而与化学变化的途径无关。化的量有关而与化学变化的途径

5、无关。例例2.1：H1H2H3 已知：已知：H1393.5Kj H3=283.0Kj 求求H2？ H2H1H3 H2 H3 以碳与氧气反应生成以碳与氧气反应生成CO为例：为例： H1H（393.5）（）（283.0）110.5Kj对照炭燃烧生成对照炭燃烧生成CO2的反应可知，的反应可知，C(石墨石墨)+O2(g) CO(g) H110.5 Kj.mol-1 例例2.2 、CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) H？解：可以把反应分解为：解：可以把反应分解为：CH4(g)C(石墨石墨)+2H2(g) H74.8 Kj.mol-1C(s)+O2(g)=CO2(g) H393.5

6、Kj.mol-12H2(g)+ O2(g)=2H2O(l) H2（241.8）483.6 Kj.mol-1 2H2(g)+ O2(g) C(s)+O2(g) H 2 H4 H3 CH4 H1 2H2OCO2H1H 2H3H474.8（393.5）（）（483.6）802.3Kjb 用标准生成焓（热）计算用标准生成焓（热）计算例例2.3、计算、计算 CH4(g)+2O2(g)=CO2(g)+2H2O(g) H=？从手册查得：从手册查得：74.8 Kj.mol-1 393.5 Kj.mol-1 241.8 Kj.mol-1HHf0生成物生成物Hf0反应物反应物H393.52（241.8）(74.8

7、)802.3 Kg.mol-1即：已知反应物和生成物的生成热（焓）就很容易求得反应的热效应，即：已知反应物和生成物的生成热（焓）就很容易求得反应的热效应，进而用于判断化学反应进行的方向和程度。进而用于判断化学反应进行的方向和程度。 2.2化学反应进行的方向化学反应进行的方向2.2.1 熵熵 熵：熵： 体系内质点混乱程度的一种量度，混乱程度越大熵值越高，体系内质点混乱程度的一种量度，混乱程度越大熵值越高，熵是温度熵是温度T和热的函数。用和热的函数。用S记之。记之。对同一种物质如水：固体冰的熵值小于液态水的熵值，而液态水对同一种物质如水：固体冰的熵值小于液态水的熵值，而液态水的又小于气态水蒸汽的熵

8、值。的又小于气态水蒸汽的熵值。绝对熵：假定完整晶体的纯物质在绝对零度时的熵值为零，这样绝对熵：假定完整晶体的纯物质在绝对零度时的熵值为零，这样就可以求得自绝对零度到就可以求得自绝对零度到T度时的变化量，该变化量就是各种纯度时的变化量，该变化量就是各种纯物质在温度物质在温度T时的熵值。即时的熵值。即:SSTS0ST0ST标准熵标准熵: 在在298K、1大气压下大气压下1摩尔物质的熵叫该摩尔物质的熵叫该物质的标准熵，用物质的标准熵，用S0表示。从手册可以查到表示。从手册可以查到S0 。熵变：在化学反应或物理变化中，生成物的熵与熵变：在化学反应或物理变化中，生成物的熵与反应物的熵的差值叫熵变。即反应

9、物的熵的差值叫熵变。即 如在标准状态下：如在标准状态下：S0 70130.6 250185.6 J.mol1.K1反应物生成物）（）（TTTSSS)(22)(221lggOHOH）（0)(0)(0)(22221OHOHSSS212.2.2、自由焓、自由焓体系从不稳定到稳定的变化过程中，体系的能量趋向于最低，而体系从不稳定到稳定的变化过程中，体系的能量趋向于最低，而熵则趋向于最大，或者说体系要向熵则趋向于最大，或者说体系要向H代数值最小，代数值最小，S代数值代数值最大的方向变化，这个过程可用自由焓的变化来表示。自由焓是最大的方向变化，这个过程可用自由焓的变化来表示。自由焓是一状态函数，用一状态函

10、数，用GHTS 记之。记之。标准生成自由焓：在标准生成自由焓：在298K如如1大气压条件下，由稳定状态的单质大气压条件下，由稳定状态的单质生成生成1摩尔纯物质时反应的自由焓变化叫该物质的标准生成自由摩尔纯物质时反应的自由焓变化叫该物质的标准生成自由焓。用焓。用 表示，表示， 可在化学手册中查到。可在化学手册中查到。标准自由焓变：标准自由焓变：0fG0fG反应物生成物）（）（000fffGGG2.2.3、化学反应或物理变化进行的方向、化学反应或物理变化进行的方向说明：标准自由焓变既包括了内能的变化，又包括了熵的说明：标准自由焓变既包括了内能的变化，又包括了熵的变化，既可以是化学反应又可以是物理变

11、化。因此变化，既可以是化学反应又可以是物理变化。因此 可作为判断化学反应能否自发进行的衡量标准，很有实际可作为判断化学反应能否自发进行的衡量标准，很有实际意义。意义。化学反应或物理变化能否进行的判据为：化学反应或物理变化能否进行的判据为： 0 化学反应或物理变化能自发进行。化学反应或物理变化能自发进行。 0 化学反应或物理变化不能自发进行。化学反应或物理变化不能自发进行。 0 化学反应或物理变化达到平衡。化学反应或物理变化达到平衡。 GGGG例例2.4、在、在1000C和和1个大气压下，每摩尔水吸热个大气压下，每摩尔水吸热40.6KJ， J.mol1.K1， J.mol1.K1，问下面的反应能

12、否自发进行。，问下面的反应能否自发进行。H2O(l)H2O(g) H40.6 K J.mol1解：先求出解：先求出G，然后再进行判断。用标准熵代替，然后再进行判断。用标准熵代替1000C的熵进行近似计算。的熵进行近似计算。S0 188.770.0118.7 J.mol1.K10.1187 K J.mol1.K1G0H0TS040.6（273100）0.11873.68 K J.mol1.K1G00，说明该反应能自发进行。，说明该反应能自发进行。 02）（gOHS02）（lOHS例例2.5、CaCO3（s）CaO(s)CO2(g) H0f178.0 K J.mol1 已知：已知： 0.088 K

13、 J.mol1.K1， 0.04 K J.mol1.K1，0.214 K J.mol1.K1，判断再判断再298K时，反应能否自发进行。若反应不能时，反应能否自发进行。若反应不能自发进行，在什么温度下反应能自发进行。自发进行，在什么温度下反应能自发进行。03CaCOS0CaOS02COS解：同理需先求出解：同理需先求出G，然后再进行判断。，然后再进行判断。 S0 0.040.2140.0880.166 K J.mol1.K1 G0H0TS0178.02980.166128.532 K J.mol1.K1 G00，说明该反应不能自发地进行。，说明该反应不能自发地进行。由于在同一种状态下，物质熵和

14、生成焓随温度的变化较小，由于在同一种状态下，物质熵和生成焓随温度的变化较小，因此可用标准熵因此可用标准熵S0和和H0代替不同温度的熵和焓，进行近代替不同温度的熵和焓，进行近似计算。似计算。 0CaOS02COS03CaCOS反应刚能发生的温度，就是反应刚达到平反应刚能发生的温度，就是反应刚达到平衡的温度，及衡的温度，及G0时的温度。时的温度。GH0TS00T 1072.3 K即该反应在即该反应在1072.3 K（799.30C）时能自发）时能自发地进行。地进行。 00SH166. 00 .178三、化学反应进行的程度三、化学反应进行的程度若存在化学反应若存在化学反应 mAnBqCrD根据热力学

15、定律：根据热力学定律：GG02.303RT .21）式中：式中： 、 、 、 分别为反应物和生分别为反应物和生成物的分压成物的分压 T绝对温度绝对温度 R摩尔气体常数，摩尔气体常数，R8.314 J.mol.1.k1nBmArDqCPPPP.APBPCPDP当反应达到平衡时，当反应达到平衡时，G0，用，用Kp表示反应的表示反应的平衡常数，平衡常数，Kp的表达式为：的表达式为： Kp （21）可变为：可变为：G02.303RTKp0 Kp （22） 利用（利用（22）式就可求出任何温度）式就可求出任何温度T时的反应时的反应平衡常数，进而知道反应进行的程度。平衡常数，进而知道反应进行的程度。 nB

16、mArDqCPPPP.RTG303. 20例例2.6、近似计算反应、近似计算反应 C(石墨石墨)CO22CO 在在9000C时的平衡常数。时的平衡常数。已知：已知： 110.54KJ.mol1， 393.5 KJ.mol1 5.69 J.mol1.k1 ， 213.64 J.mol1.k1 197.90 J.mol1.k1 0)(COfH0)(2COfH0)(石墨S0)(2COS0)(COS解：按（解：按（22）式用标准生产焓和标准熵进行近似计算）式用标准生产焓和标准熵进行近似计算 2 2（110.54）（）（393.51） 172.43 KJ.mol1 S02 2197.95.69213.6

17、4176.47 J.mol1.k1 S00.17647 KJ.mol1.K1 H0TS0172.43（273900）0.1764734.57 KJ.mol10fH0)(COfH0)(CfH0)(2cofH0)(COS0)(石墨S0)(2COS0fGKp 1.54 Kp34.7 RTG303. 20)900273(314. 8303. 2100057.34第二节第二节 浸出过程的化学热力学基础浸出过程的化学热力学基础 本节主要内容本节主要内容化学反应的分类化学反应的分类电位电位PH(E-PH)的计算的计算电位电位PH(E-PH)的作图的作图电位电位PH(E-PH)的应用的应用本节重点本节重点电位

18、电位PH(E-PH)的作图的作图电位电位PH(E-PH)的应用的应用一、化学反应的分类一、化学反应的分类氧化还原反应氧化还原反应、有、有H+参加的化学反应，参加的化学反应，如：如：Fe(OH)3+3H+eFe2+H2O、无、无H+参加的化学反应，参加的化学反应，如：如：CuS+Fe2(SO4)3=CuSO4+2FeSO4+S0非氧化还原反应非氧化还原反应(a)、有、有H+参加的化学反应，参加的化学反应，如：如：CuCO3.Cu(OH)2+2H2SO4=2CuSO4+CO2+3H2O(b)、无、无H+参加的化学反应，参加的化学反应，如：如：2NaAg(CN)2+Na2S=Ag2S+4NaCN这两

19、类反应的通式可写为：这两类反应的通式可写为：aA +nHzebBcH2O二、电位二、电位PH(E-PH)的计算的计算1、有、有z个电子迁移、无个电子迁移、无H离子参加的氧化还原反应离子参加的氧化还原反应如：如：Fe2+2e=Fe 通式为：通式为：aA+ze=bB电极电位：在氧化还原反应中，规定电极电位：在氧化还原反应中，规定H（氢原子）的氧化电位为零，氧化还原电（氢原子）的氧化电位为零，氧化还原电对的电位与氢原子的相对电位。对的电位与氢原子的相对电位。 （1） Nerst方程式：方程式： 当反应达到平衡时，当反应达到平衡时，氧化还原电对的电极电位可用氧化还原电对的电极电位可用Nerst方程方程

20、式表示：式表示：E=E0 换算成常用对数：换算成常用对数：EE0 E= E0 (23) ZFRTaAbBzFRT303. 2aAbBzFRT303. 2bBaA式中式中:R摩尔气体常数：摩尔气体常数：R8.314J.mol1.k-1T绝对温度（绝对温度（K）F法拉第常数：法拉第常数：F=96500库库/摩尔或摩尔或F=23060卡卡/伏伏Z电极反应中的电子转移数（或得失电子数）电极反应中的电子转移数（或得失电子数）相应离子在溶液中的活度（相应离子在溶液中的活度（mol/l） =iM i:活度系数活度系数; M离子的摩尔浓度离子的摩尔浓度E0、E该电对的标准电极电位和在该活度下的电该电对的标准电

21、极电位和在该活度下的电极电位。极电位。 当在250C时,(23)式为:E= E0+ E= E0+ 23060298987. 1303. 2zbBaAz0591. 0bBaA、求标准电极电位、求标准电极电位在平衡时：在平衡时：E0= (因为因为E0= K，G0=RTK)对反应对反应 Fe2+2eFeGFe0=0 20.3 Kj.mol1G0= GFe0 =0(20.3)=20.3 Kj.mol1=20300 j.mol1 E0= = =0.441(伏伏)zFG0zFRT02FeG02FeGzFG023060220300从而有：从而有： =0.441+ 固体物质的活度为固体物质的活度为1，由，由2

22、3式式 =0.441+0.295同理求出反应同理求出反应 Fe3+ +e = Fe2+ 的电位的电位 = 0.776 v = 0.776 + 0.0591 FeFeE220592. 0FeFe2FeFeE22Fe023FeFeE23FeFeE23FeFe2、无电子迁移，有、无电子迁移，有H+参加的反应参加的反应 如：如： Fe(OH)22HFe22H2O该反应的通式可写为：该反应的通式可写为：aAnHbBcH2O 平衡时平衡时 0， RTGG303. 20nHaAbB.GRTG303. 20nHaAbB.设：设： 1mol.l1，T298K，即在标准状态下时：，即在标准状态下时： 2.303R

23、T 2.303RTn( ) 2.303RTnPHPH （20303）2（56690）（）（115570）011183 卡卡/伏伏由于是在标准状态下求出的，且已假设由于是在标准状态下求出的，且已假设 1mol.l1，所以此时求出的，所以此时求出的PH为标准状态下的为标准状态下的PH，用，用PH0记记之。之。 AB0GnH1H0GRTnG303. 20AB0G00)(0022322HOHFeOHFeGGGG0GPH0 6.64PHPH0 对于上述反应，PH6.64 由于 1，PH6.64 同理可以求出反应 Fe(OH)33H+Fe3+3H2O 的EPH表达式PH1.617 RTnG303. 202

24、298987. 1303. 211183n1aAbB2122)(OHFeFe2)(OHFe212Fe313Fe3、有电子迁移又有、有电子迁移又有H参与的氧化还原反应参与的氧化还原反应 如：Fe(OH)22H+2eFe2H2O 其通式可写为：aAnH+zebBcH2O根据Nerst方程式，此时的EPH表达式为：EE0 EE0 zFRT303. 2cOHbBnHaA212OHzFRT303. 2bBnHaAEE0 （ n ） E0 （ nPH）当T298K时， 0.0591EE0 zFRT303. 2bBaAHzFRT303. 2bBaAFRT303. 223060298987. 1303. 2z

25、PHzn0591. 00591. 0bBaA对于上述反应的EPH表达式为： 0.047v 1 1 z2 n2 0.0470.0591PHFeOHFeE2)(FeOHFeE2)(0zPHzn0591. 00591. 0FeOHFe2)(FeOHFeE2)(02)(OHFeFeFeOHFeE2)(同理可求出下述反应的同理可求出下述反应的EPH表达式。表达式。Fe(OH)33H+3eFe3H2O0.2170.0591PH4、水的稳定性、水的稳定性 在矿物化学浸出、湿法冶金中常遇到水的稳定性问题。水在在矿物化学浸出、湿法冶金中常遇到水的稳定性问题。水在一定条件下是稳定的，当电位达到一定的值时，就会析出

26、氢气和一定条件下是稳定的，当电位达到一定的值时，就会析出氢气和氧气，从而变得不稳定。氧气，从而变得不稳定。电极反应为：电极反应为：阳极反应：阳极反应：H2O2eO22H+阴极反应：阴极反应：2H+2eH2经计算得出在常压下水的经计算得出在常压下水的EPH表达式为：表达式为： 1.2290.0591PH 0.0591PH经过以上推导，对于简单的经过以上推导，对于简单的MeH2O系，在一定条件下溶液中系，在一定条件下溶液中存在存在Me、Men+、Me(OH)n时，其反应及时，其反应及EPH表达式为：表达式为：Men+zeMe 平衡时：平衡时：EE0 Me(OH)nnH+Men+nH2O 平衡时：平

27、衡时：PHPH0Me(OH)nnH+neMenH2O 平衡时：平衡时：EE00.0591PH OHOE222HHEz0591. 0nMenMe三、三、EPH图的作法图的作法在湿法冶金中，经常遇到铁等金属离子的沉淀问题，以在湿法冶金中，经常遇到铁等金属离子的沉淀问题，以FeH2O系系为例，介绍为例，介绍EPH图的作法。设溶液中离子的活度为图的作法。设溶液中离子的活度为1mol.l1，固，固体物质的活动都按体物质的活动都按1计。在此以计。在此以FeH2O系中存在的化学反应及其系中存在的化学反应及其相应的相应的EPH表达式如下。表达式如下。1、Fe2+2eFe 0.4410.02950.441 （伏

28、）（伏）2、Fe3+eFe2+ 0.7760.05910.776 （伏）（伏） 3、Fe(OH)22H+Fe2+2H2O PH6.64 6.64 4、Fe(OH)33H+Fe3+3H2OPH1.617 1.617 5、Fe(OH)22H+2eFe2H2O 0.0470.0591PH为便于作图找出两点：当为便于作图找出两点：当PH6.64时，时， 0.44 （伏）（伏） PH14时，时， 0.87 （伏）（伏） 6、Fe(OH)33H+eFe2+3H2O 1.0570.1773PH0.0591 1.0570.1773PH为便于作图找出两点：当为便于作图找出两点：当PH1.617时，时， 0.77

29、 （伏）（伏） 当当PH6.64时，时， 0.12 （伏）（伏）7、Fe(OH)3HeFe(OH)2H2O 0.2710.0591PH为便于作图找出两点：为便于作图找出两点：当当PH6.64时，时， 0.12 （伏）（伏）当当PH14时，时， 0.56 （伏）（伏） 8、氧线：、氧线：H2O 2e O22H+ 1.2290.0591PH为便于作图找出两点：当为便于作图找出两点：当PH0时，时， 1.229 （伏）（伏） 当当PH14时，时， 0.4 （伏）（伏）9、氢线：、氢线：2H+2eH2 0.0591PH为便于作图找出两点：当为便于作图找出两点：当PH0时，时， 0 （伏）（伏） 当当P

30、H14时，时， 0.83 （伏）（伏） 21OHOE22OHOE22OHOE222HHE2HHE2HHE按上述计算值在坐标山作图，其结果见图按上述计算值在坐标山作图，其结果见图2.1四、电位四、电位PH图的作用图的作用由图中看出整个区由图中看出整个区FeH2O系被系被EPH线化分为线化分为Fe, Fe2+, Fe3+ , Fe(OH)2 , Fe(OH)3区区, 这些区域就构成了溶浸采矿的浸出、浸出液这些区域就构成了溶浸采矿的浸出、浸出液净化和电积过程所要求稳定区域，具体分析如下：净化和电积过程所要求稳定区域，具体分析如下：1、浸出过程、浸出过程创建条件使有价金属进入创建条件使有价金属进入Me

31、n+区、如浸铁矿，若欲获得区、如浸铁矿，若欲获得Fe2+，则需，则需使溶液的使溶液的E一一PH控制在控制在围成的范围内，若想铁以围成的范围内，若想铁以FeSO4的形式存在，就要使的形式存在，就要使PH6，无氧化剂（由，无氧化剂（由线可知，线可知，E=0时，时，PH5.96）。若欲获得）。若欲获得Fe3，则需使，则需使E0.7706伏，伏，PH1,617。2、 净化过程净化过程调节溶液的调节溶液的PH值，使主体（或目的）金属离子呈值，使主体（或目的）金属离子呈Men+状状态，而使杂质离子呈态，而使杂质离子呈Me(OH)n状态沉淀而除去。状态沉淀而除去。 如欲除去溶液中的如欲除去溶液中的Fe3，则

32、调，则调PH,使使PH1,617，Fe3越过越过线线,而成为而成为Fe（OH）3沉淀而除去，若想除去溶液沉淀而除去，若想除去溶液中中Fe2，Fe3 则调则调PH，使，使PH6，使，使Fe3，Fe2 越过越过、线线,而成为而成为Fe（OH）2 Fe（OH）3 沉淀而除沉淀而除去。去。当然如在当然如在Fe3或或Fe2的沉淀区内，目的或主体离子也发的沉淀区内，目的或主体离子也发生沉淀，则需进行氧化还原，以合适的方式除去。生沉淀，则需进行氧化还原，以合适的方式除去。 如：在如：在Ni的浸出液中除去的浸出液中除去Fe2 、Fe3第一步：调第一步：调PH 1.617伏，伏， Fe3 Fe（OH）3Ni2

33、Ni（OH）2 PH6.09 Fe2 Fe（OH）2 PH6.64若调若调PH6，Fe2 Fe（OH）2 除去除去,但同时但同时Ni2 Ni(OH)2 ，Ni2也被除去了。也被除去了。第二步：提高氧化电位使第二步：提高氧化电位使Fe2 Fe3，即添加电位大于，即添加电位大于0.8V的氧的氧化剂化剂,如如如如Cl 2 ， E1.39V，大于，大于0.8V ， Fe2 Fe3第三第三:步：步： 过滤，除去过滤，除去Fe（OH）2 ， Fe（OH）3，（即除掉了，（即除掉了Fe2、 Fe3），）， 同时保留了同时保留了Ni2。 3、电积过程、电积过程创造条件使创造条件使Men进入进入Me区。区。如电

34、积如电积Ni，就是在阴极上施加电位使阴极电位小于，就是在阴极上施加电位使阴极电位小于0.2V， Ni2就就越过越过线线,而进入而进入Ni区，区，Ni2Ni而沉积在阴极上。而沉积在阴极上。从图上看出当从图上看出当E小于小于0.2V ,PH小于小于4时，将同时在阴极放出时，将同时在阴极放出H2气和气和沉积沉积Ni，因此需使，因此需使E0.2伏，同时使伏，同时使PH5一一6，这样就可不产，这样就可不产生生H2，同时又得到电积，同时又得到电积Ni，因此电解，因此电解Ni都是在近中性条件下进行。都是在近中性条件下进行。 第三节第三节 矿物浸出过程的动力学矿物浸出过程的动力学一、矿物的浸出过程一、矿物的浸

35、出过程1、溶浸试剂向矿粒表面及裂隙中扩散。、溶浸试剂向矿粒表面及裂隙中扩散。2、溶浸试剂被矿物颗粒表面吸附并起化反应。、溶浸试剂被矿物颗粒表面吸附并起化反应。3、反应生成的产物向矿石外扩散。、反应生成的产物向矿石外扩散。二、影响浸出速度的主要因素二、影响浸出速度的主要因素1、浸出反应中的传质过程、浸出反应中的传质过程在浸出过程中，颗粒表面会吸附一层液膜，溶剂离子则通过液膜在浸出过程中，颗粒表面会吸附一层液膜，溶剂离子则通过液膜向颗粒内部扩散，扩散速度可由向颗粒内部扩散，扩散速度可由Fick定律表示：定律表示：VD )()(SDSCCAKCCDAdtdc矿石中矿物的浸出过程已反应外壳反应区域1反

36、应区域2未反应核心药剂产物式中：式中：VD溶剂中某离子的扩散速度，溶剂中某离子的扩散速度，mol.sec.1 。C，CS分别为某离子在浸出液中和颗粒表面的浓度，分别为某离子在浸出液中和颗粒表面的浓度，mol.l1 。液膜厚度，液膜厚度，cmD扩散系数，即扩散系数，即 单位面积的扩散速度，单位面积的扩散速度，mol.cm2.sec.1A颗粒的反应表面积，颗粒的反应表面积，cm2 。KD扩散速度常数或传质速度常数。扩散速度常数或传质速度常数。搅拌浸出时，搅拌速度增加，液膜厚度下降，扩散速度增加，有利搅拌浸出时，搅拌速度增加，液膜厚度下降，扩散速度增加，有利于浸出。但当搅拌速度增加到一定值时，矿浆的

37、粘性会使颗粒与旋于浸出。但当搅拌速度增加到一定值时，矿浆的粘性会使颗粒与旋涡同步运动，搅拌就失去了降低涡同步运动，搅拌就失去了降低的作用，同时还浪费能量、磨蚀的作用，同时还浪费能量、磨蚀设备。设备。 2、固体反应颗粒的致密程度、固体反应颗粒的致密程度a、反应颗粒为致密型、反应颗粒为致密型当反应颗粒为致密型时，则反应界面从原始固体表面向颗粒中心推当反应颗粒为致密型时，则反应界面从原始固体表面向颗粒中心推进，颗粒的内部是未反应区，外部是反应区，化学反应发生在已反进，颗粒的内部是未反应区，外部是反应区，化学反应发生在已反应区与未反应区的界面上，该反应模型称为未反应核心模型。由于应区与未反应区的界面上

38、，该反应模型称为未反应核心模型。由于溶剂离子需经长距离扩散才能到达反应界面，只要反应速度稍快，溶剂离子需经长距离扩散才能到达反应界面，只要反应速度稍快，一般情况下，矿物的浸出速度由溶剂离子的扩散速度所控制。因此，一般情况下，矿物的浸出速度由溶剂离子的扩散速度所控制。因此，在这种情况下，降低矿石的块度有利于提高浸出速度。在这种情况下，降低矿石的块度有利于提高浸出速度。b、反应颗粒为疏松型、反应颗粒为疏松型当矿石颗粒很疏松时，溶剂离子很容易到达反应界面，此时，矿物当矿石颗粒很疏松时，溶剂离子很容易到达反应界面，此时，矿物的浸出速度由化学反应速度所控制，增加溶剂离子的浓度，有利于的浸出速度由化学反应

39、速度所控制，增加溶剂离子的浓度，有利于提高矿物的浸出速度。提高矿物的浸出速度。 3、浸出温度、浸出温度浸出速度与浸出温度之间的关系可由阿伦尼乌斯公式表示：浸出速度与浸出温度之间的关系可由阿伦尼乌斯公式表示：K化化AeE/RT式中：式中：K化化化学反应速度常数化学反应速度常数 E反应的活化能反应的活化能 R气体常数气体常数 T绝对温度绝对温度若浸出过程受化学反应速度所控制，则若浸出过程受化学反应速度所控制，则: KK化化AeE/RT式中：式中：K矿石浸出过程速度常数矿石浸出过程速度常数若浸出过程受扩散速度所控制，则若浸出过程受扩散速度所控制，则KKDAt1.7式中：式中：KD扩散速度常数扩散速度

40、常数A比例常数比例常数说明矿物浸出速度与浸出温度呈指数关系增加，在条件允许时，尽可能提说明矿物浸出速度与浸出温度呈指数关系增加，在条件允许时，尽可能提高浸出的温度，加压浸出工艺就是利用压力提高溶液的沸点，增加浸出过高浸出的温度，加压浸出工艺就是利用压力提高溶液的沸点，增加浸出过程的温度。程的温度。 4、溶剂离子的浓度、溶剂离子的浓度 溶剂离子的扩散可由溶剂离子的扩散可由Fick定律表示：定律表示：VD 溶剂离子向颗粒内部扩散的扩散过程一般伴随着化学反应的发溶剂离子向颗粒内部扩散的扩散过程一般伴随着化学反应的发生，因此，颗粒内部反应界面的溶剂离子浓度生，因此，颗粒内部反应界面的溶剂离子浓度CS一

41、般都较低，一般都较低，提高浸出液中溶剂离子的浓度提高浸出液中溶剂离子的浓度C，有利于增加扩散速度，有利于增加扩散速度VD，从，从而增加浸出速度。而增加浸出速度。 )()(SDSCCAKCCDAdtdc5、浸出过程的液固比、浸出过程的液固比 液固比增加，矿浆浓度降低，有利于搅拌降低液固比增加，矿浆浓度降低，有利于搅拌降低，提高浸出，提高浸出率，便于输送、固液分离等作业。但矿浆太稀时，如果要求保持率，便于输送、固液分离等作业。但矿浆太稀时，如果要求保持一定的反应浓度，则药量消耗会增加，同时使浸出物的浓度降低，一定的反应浓度，则药量消耗会增加，同时使浸出物的浓度降低，增大提取成本。如果矿浆太浓，即液

42、固比太小，对离子的扩散和增大提取成本。如果矿浆太浓，即液固比太小，对离子的扩散和后续处理不利。后续处理不利。6、浸出时间、浸出时间 浸出时间增加，浸出率增加，但到浸出后期，浸出率提高缓浸出时间增加，浸出率增加，但到浸出后期，浸出率提高缓慢，副反应增加，单位药耗增加，设备生产能力降低经济效益变慢，副反应增加，单位药耗增加，设备生产能力降低经济效益变差，因此，生产中需设置截止品位。差，因此，生产中需设置截止品位。 三、浸出过程的化学动力学模型三、浸出过程的化学动力学模型为了提高浸出过程的速度，必须分析各因素对浸出过程的影响，为了提高浸出过程的速度，必须分析各因素对浸出过程的影响，确定浸出速度的控制

43、因素，提高浸出过程的经济效益，因而要求确定浸出速度的控制因素，提高浸出过程的经济效益，因而要求建立浸出过程的化学动力学模型。建立浸出过程的化学动力学模型。1、浸出速度由界面化学反应控制的动力学方程（疏松介质类矿、浸出速度由界面化学反应控制的动力学方程（疏松介质类矿石，如制粒堆浸）石，如制粒堆浸）模型假定：模型假定：a、矿石为球形且按未反应核心模型进行反应、矿石为球形且按未反应核心模型进行反应 b、化学反应为一级反应、化学反应为一级反应 c、已反应区不再发生化学反应、已反应区不再发生化学反应 d、有用矿物在矿石中均匀分布、有用矿物在矿石中均匀分布根据质量作用定律：根据质量作用定律： dwKACd

44、t（24）疏松型矿石浸出模型r0c0式中：式中：dw反应矿物在反应矿物在dt时间内重量的变化量时间内重量的变化量 K化学反应速度常数化学反应速度常数 A在在dt时间内反应界面的表面积时间内反应界面的表面积 C在在dt时间内反应界面的溶剂离子浓度，由于矿石为疏松时间内反应界面的溶剂离子浓度，由于矿石为疏松介质，溶剂在矿石内的扩散速度不是浸出速度的控制因素，介质，溶剂在矿石内的扩散速度不是浸出速度的控制因素，所以所以CC0 因为：因为：dt时，时，A4r2 未反应核心矿物的重量为：未反应核心矿物的重量为：Wr3g 式中：式中：r 未反应核心半径未反应核心半径 矿石的密度矿石的密度 g矿石中目的矿物

45、的品位矿石中目的矿物的品位dw4r2g dr 代入（代入（24）式：）式： 4r2g drK4r2C0dt dr dt对对t0t积分，则积分，则r的积分区域为的积分区域为r0rr0r t (25)式中式中r不能直接测出，但可用测定矿石重量变化求得：不能直接测出，但可用测定矿石重量变化求得：当当t0时，矿石重量为时，矿石重量为W0，当时间为，当时间为t时，矿石中目的矿物的浸时，矿石中目的矿物的浸出率为：出率为： gKC0rrtdtgKCdr000gKC0 1 rr0(1)1/3代入（25）式r0r0(1)1/31（1）1/3 (26) 00WWW grgrgr3034334303403rrtgK

46、C0tgrKC00 K=tag=1（1）1/3tgrKC002、由扩散控制浸出速度的化学动力学方程（致密矿石的浸出）、由扩散控制浸出速度的化学动力学方程（致密矿石的浸出） 模型假设：模型假设：a、离子在矿石外表液膜中的扩散速度不是浸出速度的控制因素。、离子在矿石外表液膜中的扩散速度不是浸出速度的控制因素。 b、目的矿物在矿石中均匀分布、目的矿物在矿石中均匀分布 c、矿石浸出前后孔隙率变化不大，有效扩散系数保持常数。、矿石浸出前后孔隙率变化不大，有效扩散系数保持常数。 由由Fick定律可知，溶剂在扩散中的扩散通量为：定律可知，溶剂在扩散中的扩散通量为： JDeA式中：式中：J溶剂在时间溶剂在时间t内的扩散通量，内的扩散通量，mol.cm2.sec.1 De有效扩散系数有效扩散系数 drdcDrdrdce24r0r0c0在C0CS和r0r范围内积分得：J( )4De(CSC0) ，因为浸出过程为扩散所控制，CS 0 ，所以J4De (27) rrcceesdcDrdrJdcDdrrJ004422011rr000.Crrrr同样由于同样由于r不易测得，由（不易测得，由（27）式不能直接求得）式不能直接求得J。因为过程为稳态扩散，对于因为过程为稳态扩散，对于aAbB=cC (产物产物)的反应，可建立的反应，