一种从炼钢粉尘中高效回收金属锌的新工艺：通过改性-选择性浸出-电积法实现

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：A Novel Process for Efficient Recovery of Metallic Zinc from Steelmaking Dust by Modification–Selective Leaching–Electrowinning

钢渣锌回收技术优化及资源化利用研究。提出CaO高温改性-选择性酸浸出-电沉积联合工艺，通过热力学分析证实ZnFe?O?向ZnO转化及Ca?Fe?O?固定Fe的机制，在Ca/Fe=1.3、1100℃×3h条件下实现锌浸出率90.11%和铁溶出率<2%，电沉积获得纯度95.78%金属锌。该工艺突破传统酸浸铁共溶难题，为钢渣资源化提供低能耗高选择性解决方案。

　　

Jin-hao Fan|刘东江|杜传明|袁磊|卢子灿|王建国

东北大学冶金学院，中国辽宁省沈阳市，110819

摘要

炼钢粉尘是炼钢过程中的主要副产品，其中含有大量的有价值元素锌（Zn）和铁（Fe）。从炼钢粉尘中回收锌可以显著减少对原生锌矿的依赖，并减轻环境污染。然而，锌主要以稳定的锌铁矿（ZnFe₂O₄）形式存在，这使得锌难以与铁分离，因此金属锌的回收仍然是一个重大挑战。为了实现炼钢粉尘的高附加值利用，本研究提出了一种新的工艺，该工艺结合了CaO高温改性、选择性浸出和电积法，以高效回收炼钢粉尘中的金属锌。系统研究了CaO添加量、焙烧温度和处理时间对含锌矿物相变的影响。经过CaO改性后，ZnFe₂O₄有效转化为ZnO，而钙（Ca）和铁（Fe）则被固定在不溶的Ca₂Fe₂O₅相中。研究了改性粉尘在不同条件下的浸出行为。增加CaO添加量和处理时间显著提高了锌的浸出效率，同时抑制了钙和铁的溶解。在最佳条件下（Ca/Fe比=1.3，1100°C下焙烧3小时，粒径小于0.053毫米，pH=3），锌的浸出效率达到90.11%，且铁的溶解量极少，实现了锌的选择性浸出。浸出液中含有高浓度的锌和非常低的杂质。因此，无需进一步纯化浸出液，即可通过3.5V的电积法直接获得纯度为95.78%的金属锌。本研究提供了一种高效且可持续的方法，用于直接回收金属锌并实现炼钢粉尘的资源化利用。

引言

锌（Zn）作为一种重要的基础金属，广泛应用于镀锌、合金制造、化工行业和储能材料[1]、[2]。全球约一半的锌消费用于钢的镀锌以防止腐蚀[3]。随着基础设施发展和新能源汽车需求的增长，预计天然锌矿资源将在20年内耗尽[4]。因此，二次锌资源的回收和利用变得越来越重要。

在转炉炼钢过程中，会回收大量的镀锌废料。当废钢熔化时，低熔点的锌涂层会蒸发到烟气中，并与其他挥发性物质一起形成炼钢粉尘。炼钢粉尘的产生量通常为每吨熔钢15至25公斤[5]、[6]。2023年，中国粗钢产量达到11.9亿吨，仅中国每年产生的炼钢粉尘就超过2000万吨[7]。这些炼钢粉尘富含各种重金属氧化物，包括3%至40%的ZnO和30%至45%的Fe₂O₃，以及少量的有毒元素如PbO和MnO[8]。由于含有高浓度的重金属（如锌），炼钢粉尘对人类健康和环境构成严重威胁[9]。因此，从炼钢粉尘中高效回收锌对于可持续的资源回收和减少环境危害至关重要。

炼钢粉尘中的ZnO主要以锌铁矿（ZnFe₂O₄）形式存在[10]。其稳定的结构使得从炼钢粉尘中选择性地回收锌变得困难[11]。目前，锌的回收方法主要分为火法冶金工艺[12]、[13]、[14]、[15]、[16]和湿法冶金工艺[17]、[18]、[19]、[20]、[21]。传统的火法冶金工艺基于炼钢粉尘中ZnO的碳热还原，随后在高温下挥发。其中，Waelz窑工艺是最常用的炼钢粉尘处理方法[13]、[22]。然而，这些方法需要大量的能源、高品位的含锌原料（锌含量>16%），并且回收的粗ZnO纯度较低，需要进一步提纯才能获得金属锌[23]。湿法冶金方法主要使用碱性、氨性或强酸性溶液进行化学浸出，然后通过溶剂萃取和电积法获得金属锌。碱性和氨性浸出方法具有能耗低和选择性好的优点，但无法有效溶解ZnFe₂O₄，导致锌的回收率较低[20]、[24]。此外，氨性浸出需要复杂的反应器来防止氨的挥发，强碱性还会增加设备腐蚀的风险[25]。强酸浸出可以破坏ZnFe₂O₄的结构并促进锌的溶解，但铁和其他杂质的共溶解不可避免，导致有价值元素的回收困难[26]、[27]。在后续的电积过程中，杂质元素也会影响金属锌的电解[28]。因此，酸浸出需要进一步纯化浸出液，增加了工艺的成本和复杂性。

为了解决这些传统工艺的问题，提出了结合火法冶金和湿法冶金的方法[29]、[30]。这些方法包括使用添加剂对炼钢粉尘进行高温焙烧，以分解稳定的ZnFe₂O₄，然后对生成的可溶性含锌矿物进行高效化学浸出。Chen等人[31]使用FeSO₄·7H₂O在协同焙烧过程中将含锌相转化为可溶性的ZnSO₄，在水浸出过程中实现了98.79%的锌溶解率，同时铁的共溶解量最小。然而，这种共焙烧过程产生的SO₂排放可能会造成二次污染。Nagasaka等人[32]、[33]报告称，CaO共焙烧可将稳定的ZnFe₂O₄转化为易溶的ZnO和不溶的Ca₂Fe₂O₅。随后使用NaOH或NH₄Cl进行浸出，几乎可以溶解所有的ZnO，但钙和铁的浸出效率较低。尽管如此，得到的强碱性含锌浸出液不能直接用于电积，需要进一步处理，增加了工艺的复杂性和成本[34]。

我们之前的研究表明，用CaO进行高温处理可以将ZnFe₂O₄转化为酸溶性ZnO，从而在稀H₂SO₄溶液中实现高选择性的锌浸出[35]。所得的酸性浸出液具有通过电积法直接回收金属锌的良好潜力。然而，很少有研究系统地研究在温和酸性条件下对炼钢粉尘的选择性浸出以及通过电积法直接回收高纯度金属锌。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种新的工艺，结合了CaO高温改性和使用稀酸的选择性浸出，以实现从炼钢粉尘中高效回收金属锌。分析了实际炼钢粉尘在CaO高温处理过程中的矿物相变和元素分布，并通过热力学分析验证了演变机制。系统研究了CaO添加量（Ca/Fe摩尔比）、焙烧温度、处理时间、pH值和粒径对改性粉尘中主要元素浸出行为的影响。最后，研究了直接从浸出液中通过电积法回收金属锌的可行性，以及电解参数对锌沉积的影响。总体而言，该方法有望在温和条件下实现从炼钢粉尘中选择性地浸出和直接电积金属锌，提供了一种简单、低成本且环保的解决方案，以实现锌的可持续回收和高效利用。

部分内容片段

炼钢粉尘改性

从一家中国钢铁厂收集了含有72.38% Fe₂O₃和20.85% ZnO的原始炼钢粉尘样品，标记为SD-0。为了研究高温CaO改性的效果，将炼钢粉尘与CaO（AR级，中国国家医药集团化学试剂有限公司）在马弗炉中共同焙烧。将炼钢粉尘样品与不同量的CaO（Ca/Fe摩尔比为1.1、1.3和1.5）充分混合，分别标记为SD-1、SD-2等。

热力学计算

表2列出了炼钢粉尘与CaO高温焙烧过程中可能发生的反应及其吉布斯自由能变化（ΔG⁰），如图2(a)所示。在100°C至1200°C的温度范围内，除反应（7）外，所有反应的ΔG⁰值均为负值，表明这些反应在热力学上是可行的。因此，从热力学的角度来看，炼钢粉尘中的初始含锌相和含铁相可以转化为ZnO

结论

提出了一种结合CaO高温改性、选择性浸出和电积的新工艺，用于直接从炼钢粉尘中回收金属锌。经过CaO改性后，稳定的ZnFe₂O₄有效转化为酸溶性ZnO，而有价值的铁元素则稳定为不溶的钙铁矿相。对改性炼钢粉尘的浸出实验表明，增加CaO添加量和处理时间可以提高浸出效率

CRediT作者贡献声明

卢子灿：形式分析、概念构思。王建国：方法学、数据管理。范金浩：撰写——初稿、验证、数据管理。刘东江：验证、形式分析、数据管理。杜传明：撰写——审阅与编辑、监督、资源获取、概念构思。袁磊：撰写——审阅与编辑、监督、调查。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

作者感谢辽宁省自然科学基金（2025-MS-030）和中央高校基本科研业务费（N25YJS003）对本项目的财政支持。

披露声明

作者未报告任何潜在的利益冲突。