1、 湿法冶金动力学湿法冶金动力学概述；湿法冶金反应的类型；液固反应类型的动力学；湿法冶金动力学的研究方法；湿法冶金动力学机理研究；冶金化学动力学研究中应注意的几个问题。概述目的、意义 冶金化学动力学研究的主要目的是弄清反应的机理，查明反应物的粒度、浓度、温度等对化学反应速度的影响，从而可以采取有效措施来促进反应的进行，以达到提高生产力，降低成本。概述目的、意义目前由于能源和环保的因素，冶金过程的强化成为冶金工作的热点。人们将目光集中在冶金化学动力学控制这一环节，并在这方面取得了一些成果。工厂技术人员更关心的是动力学研究，反应速度加快，生产效率高，生产成本低。概述主要内容类型、机理、组成环节，其中
2、最慢的是哪一步？影响因素，如何利用因素加快反应速度？概述过程动力学的标度（过程速率）速率不能说成速度 R P 反应物 生成物定义：单位时间、单位体积内反应物分数的减少数量（或生成物增加数量）。（1mol6.02103个分子数）概述过程动力学的标度（过程速率）换算为单位t、单位v 内mol 减少为：（微商）对于水溶液中水溶物种，用浓度表示为：RPdMdMdtdt RPdCdCdtdt 概述过程动力学的标度（过程速率）例如：反应()()()caqaqaAbBpPBPdCdCbdtpdt 湿法冶金反应的类型u液固反应；如：浸出、置换、离子交换等。u液液反应；如：有机溶剂萃取。u气固反应；如：氧压浸出
3、。需要特别说明的是：许多气体是溶于水后再参加反应，因此本类反应本质上也属于液固反应类型。湿法冶金反应的类型 生产中，萃取反应(液液反应类型)反应很快，所以研究其动力学对生产指导意义不大。如果实在需要研究其过程动力学，则需要将过程有意识地变慢，因此，关于这种类型的动力学在此不作多讲。液固反应类型的动力学而重点介绍液固反应类型的动力学。对于液固反应有三种情况：()()()(c)()caqaqaAbBpPpP或液固反应类型的动力学第一类：生成物是水溶物种()的情况其步骤为：()aqP()()()caqaqaAbBpP液固反应类型的动力学(1)扩散：反应物B扩散到固体反应物A的表面(扩散动力是浓度梯度
4、)，本质是穿越边界膜的扩散。B(ad)P(ad)A边界膜(附面层)液固反应类型的动力学边界膜(附面层)固体反应物A液固反应类型的动力学(2)B在A(s)表面被吸附；B B(ad)B(ad)P(ad)A边界膜(附面层)BP液固反应类型的动力学(3)被吸附的B(ad)与A在A表面发生化学反应；A+B(ad)pP(ad)B(ad)P(ad)A边界膜(附面层)BP液固反应类型的动力学(4)P(ad)从A表面脱附；B(ad)P(ad)A边界膜(附面层)BP液固反应类型的动力学(5)P(ad)反扩散穿过边界膜(附面层)进入溶液本体。B(ad)P(ad)A边界膜(附面层)BP液固反应类型的动力学 以上5步过
5、程，哪一步最慢，则为控制步骤。所以有可能扩散、吸附、化学反应三个控制步骤。但一般吸附(脱附)过程较快，所以实际上只有扩散和化学控制2个控制步骤。液固反应类型的动力学第二类：生成物是固体()的情况其步骤为：()sP()()()caqsaAbBpP液固反应类型的动力学(1)反应物B扩散到固体产物P(s)的表面，本质是穿越边界膜的扩散。B(ad)P(s)A边界膜(附面层)固体产物层)液固反应类型的动力学液固反应类型的动力学（2)B穿过固体产物层的扩散，进而达到未反应的A表面；液固反应类型的动力学（3)在A表面发生化学反应；A+B(ad)pP(s)液固反应类型的动力学(4)P(s)进入P(s)的晶格(
6、无序有序)；液固反应类型的动力学 以上3步过程，哪一步最慢，则为控制步骤。所以控制步骤可能有：扩散(外扩散)、化学反应、固体产物层扩散(内扩散)。液固反应类型的动力学第三类：块状物料的情况 此时包括上述一、二两种情况。表面上的发生属于第一种情况；内部发生的属于第二种情况。液固反应类型的动力学矿石（脉石）B矿物（A）B液固反应类型的动力学 穿过附面层到达A表面 在A表面反应B 穿过附面层到达块矿表面在扩散穿越 脉石层到达A表面湿法冶金动力学研究方法过程速率的研究及测定()()()saqaqaAbBpPiptidCvdt湿法冶金动力学研究方法 (切线的斜率)湿法冶金动力学研究方法取样方法：间断、连
7、续两种取样手段：自动化、人工湿法冶金动力学研究方法各种因素对过程速率的影响 (1)液固比：液(L，ml):固(kg，g)；(2)固体物料的粒度：(目，m)；(3)温度：()；(4)搅拌速度：(r/min，m/min)；(5)溶液成分：酸度，反应物浓度(pH，g/L，mol/L)。湿法冶金动力学研究方法研究方法：(1)固定其它因素，改变变量之一进行试验；(2)正交试验。湿法冶金动力学机理研究通过研究机理，找到控制步骤。从而可以采取有效措施来促进反应的进行，以达到提高生产力，降低成本。湿法冶金动力学机理研究动力学研究必须创造的条件：在研究动力学过程中，应该注意其研究的前提条件、适用条件与范围。否则
8、可能造成动力学研究结论是片面的甚至是错误的，这是冶金动力学研究中应该注意的问题。湿法冶金动力学机理研究 (1)温度恒定；(2)搅拌速度恒定；(3)物料必须是单粒级物料；(4)水溶液反应物浓度恒定；采取的措施有：湿法冶金动力学机理研究 特大液固比(如：100:15)；防止水份蒸发而造成溶液体积变化。防蒸发设备(五口烧瓶)：利用家用酸菜罐的原理。湿法冶金动力学机理研究实验、取样、化验；数据处理；例如：ZnS精矿加压浸出浸出率数据。0204060801001201401601802000510152025303540455002040608010012014016018020005101520253
9、0354045500204060801001201401601802000510152025303540455002040608010012014016018020005101520253035404550130Zn浸出率（%）时 间(min)150120140图6.3.3 温度对浸出速率的影 响关系图Fig.6.3.3 Effect of temperature on Zn leaching rate湿法冶金动力学机理研究建立数学模型。固液相反应的动力学的研究有多种方法，F.Habash系统介绍了这一模型的推导与应用方法。在一固体反应物B(s)与一水溶物种A(aq)反应生成的产物也是水溶物种
10、P(aq)时，即 b B(s)+a A(aq)p P(aq)湿法冶金动力学机理研究这一反应的速率 式中 反应速率，mol/sec N固体反应物的摩尔数，mol；t反应时间，sec；W固体反应物的质量，g；M固体反应物的分子量，g。dNdWdtMdt 湿法冶金动力学机理研究按照质量作用定律，这一反应的速率 式中 k反应的速率常数；S固体反应物的表面积。对于颗粒状物 质，表面积与其粒度有关，m2；C水溶物种反应物A(aq)的浓度，mol/L；n反应级数。nk S C湿法冶金动力学机理研究 联合上述求速率的方程，并求解(求解方法略)，得浸出率与时间的关系式为 式中 固体反应物的反应率，浸出过程则为浸
11、出率；t浸出时间，min；k反应速率常数；固体反应物的密度，g/cm3；r0固体反应物颗粒的初始半径，cm。该式即为生成物为水溶物种的“多相反应的收缩核动力 学模型”。1301(1)nkMCtr湿法冶金动力学机理研究 这一模型是针对一个固体反应物(颗粒状)与一种水溶物种之间的反应，若有多种水溶物种参加反应:(s)ii(aq)(aq)ibB+a A=pP湿法冶金动力学机理研究则根据质量作用定律，反应速率 式中 代表连乘；Ci每种水溶物种反应物的浓度，mol/L；ni每种水溶物种反应物的反应级数(并非 其计量系数)，则为反应的级数。iniik SCin湿法冶金动力学机理研究 按照同一推导方法可推导
12、出一种固体反应物与多种水溶物种反应物反应并生成产物为水溶物种时的“收缩核动力学模型”为：1301(1)iniikMCtr湿法冶金动力学机理研究例如：对于ZnS的加压浸出，这一动力学模型具体化为：式中 水溶液中氧的浓度，mol/L；C水溶液中酸浓度，mol/L。1212()301(1)nnaqkM OCtr2()aqO湿法冶金动力学机理研究根据亨利定律 亨利定律常数。则222()OaqOPOH2OH122121301(1)nnOnOkMPCtHr湿法冶金动力学机理研究从该式可以得知，影响浸出的因素有：k，表达温度的影响；r0，表达固体反应物粒度的影响；C，表达酸浓度的影响；，表达氧压力的影响；t
13、，表达时间的影响；除上述影响因素外，溶液中的Fe作为催化 剂，其浓度对浸出也有明显的影响。2OP湿法冶金动力学机理研究 在研究一种因素时，其它因素保持恒定。以上式公式是在特别设定的条件下推导出来的，这些条件是：(1)浸出过程中，温度、水溶液中反应物种的浓度保持恒定；(2)r0为一具体的定数。因此，在做动力学试验时，应满足上述条件 才能应用上述收缩核模型处理试验结果。湿法冶金动力学机理研究 在遵守上述条件的情况下，对于一个浸出过程，上式中 const以k代表之，可视为表观速率常数。则有 为了方便应用该式，将式中左边用f表示，即 f=122120nnOnOkMPCHr131(1)k t131(1)
14、湿法冶金动力学机理研究对生成物是水溶物种的 (1)对生成物是固体产物层的 (2)1310:1(1)nMkCftr23202:1(1)3nMkCftr湿法冶金动力学机理研究 将上图的结果用上述动力学方程式(1)进行处理，处理如下图所示。图示表明：反应速率与温度有关。03060901201501802100.000.050.100.150.2003060901201501802100.000.050.100.150.2003060901201501802100.000.050.100.150.2003060901201501802100.000.050.100.150.201-（1-）1/3时 间
15、(min)图6.3.4 f与温度关系图Fig.6.3.4 Relationship of f to temperature120130140150K=0.00383K=0.00593K=0.000889K=0.00126湿法冶金动力学机理研究阿仑尼乌斯（Arrhenius）公式表达了恒浓度下基元反应的速率与反应体系温度的关系：k=Aexp(-E/RT)式中：A-指前因子；R-摩尔气体常数；E-反应活化能，j/mol。湿法冶金动力学机理研究对上式取对数得 以 对 作图常常可得以直线，由此直线的斜率可求出反应活化能。1lglg2.303EkARTlgk1T湿法冶金动力学机理研究表观速率常数k，它的
16、值等于上图中各直线的斜率。以不同温度下反应k的对数值对温度的倒数作图，得到Arrhenius线如下图所示。求出反应活化能，确定反应控制步骤，还可以求出反应级数（利用浓度C的实验数据）2.362.402.442.482.522.562.606.66.87.07.27.47.67.8-lnk10*31/T120130140150直 线斜 率=6.62图6.3.5 Arrhenius线图Fig.6.3.5 Arrhenius line湿法冶金动力学机理研究21033032131(1)1(1)23sbrbCMtDDkr湿法冶金动力学机理研究动力学研究应注意的几个问题动力学研究应注意的几个问题动力学研究应注意的几个问题a.谢谢欣赏a.THANK YOU FOR WATCHING
