王鑫，杨智
（成都华创兴科科技发展有限公司，四川 成都 610041）
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①王鑫, 杨智. 铜烟灰回收制备纳米氧化锌及其吸波特性研究[J]. 铜业工程,2024(4):65-70.
②WANG Xin，YANG Zhi. Preparation of nano-sized zinc oxide from copper ash recycling and its absorption properties[J]. Copper Engineering, 2024(4):65-70.
doi: 10.3969/j.issn.1009-3842.2024.04.007
铜烟灰资源回收对铜冶炼的经济性与环保性有着重要的意义。本文针对铜烟灰设计了一种湿法回收锌并制备纳米氧化锌的流程，初步实现了从铜烟灰回收到吸波材料制备的工艺。首先使用硫酸浸出工艺对烟灰进行处理；再进入除铁与除铜净化流程，制备出高浓度ZnSO₄，其中锌平均浸出率达到98.74%；然后以ZnSO₄为原料使用直接沉淀法完成前驱体制备；最后通过焙烧细化粒径，使成品粒径低于56 nm。制备过程中，通过升温速率控制颗粒状纳米氧化锌的粒径，得到平均粒径为24~56 nm的样品。在此基础上，对不同粒径纳米氧化锌进行了X波段（8.2~12.4 GHz）与Ku波段（12.4~18 GHz）的吸波性能测试。测试结果表明，平均粒径为56 nm的纳米氧化锌，在8.2~18 GHz频率范围内，吸波反射率低于-10 dB的带宽达到1.47 GHz，初步达到军事工业应用的标准。
中国有色金属冶炼每年产生烟灰约1500万t。其中，铜烟灰占比6.4%~12.7%。在铜烟灰中，锌含量为10%~20%。一般而言，从烟灰中回收的氧化锌无法在工业生产中直接应用，而是作为弃料直接售卖，或者被简单加工为建筑材料，其真正的价值没有得到充分发挥。纳米氧化锌是一种吸波材料。在军工吸波材料领域，雷达波隐身材料是当前发展较快的材料技术，而纳米氧化锌作为吸波涂层应用于军用无人机和战斗机的研究，近年来逐渐受到重视。鉴于纳米氧化锌材料在军工领域存在一定需求，利用工业烟灰回收锌并制备纳米氧化锌，成为当下较为突出的研究课题。
铜烟灰回收技术随着冶金工艺的进步和环保要求的提高不断发展，目前铜烟灰中锌的回收工艺主要包括火法、湿法、火湿联合法和选冶联合法4种。自20世纪60年代开始，世界大型铜冶炼公司采用火法工艺对铜烟灰中的金属资源进行回收，锌作为铋、铅等金属的副产物也被回收利用。因火法工艺回收效率不高，并且存在二次污染，湿法工艺逐步占据主导地位。湿法工艺包括酸浸、水浸、氯盐浸出等方法。
与传统火法回收工艺相比，全湿法工艺、火法-湿法联合工艺和选冶联合工艺具有污染小、金属回收率高、劳动条件好等优点被广泛应用。但在生产应用实践中，选择何种铜烟灰处理工艺还要从原料的性质出发，以降低生产成本，最大化提高经济效益和社会效益。本文将包头华鼎铜业发展有限公司提供的烟灰样品作为原料，以回收制备纳米氧化锌并应用于军用吸波材料为研究目标，不考虑对烟灰中其他金属的回收。本研究还针对锌含量为7%~16%的典型烟灰设计了湿法回收锌的工艺，还进一步设计了纳米氧化锌的制备方案，并以吸波材料作为应用目标进行了吸波试验。
图1 铜烟灰酸浸方案
图2 升温速率与初始浓度对平均粒径的影响
图3 0.32 mol/L ZnSO₄溶液制备的ZnO SEM图像
本文设计了铜烟灰回收与纳米氧化锌制备的工艺并进行了实验。首先使用硫酸浸出工艺对烟灰进行处理，锌平均浸出率达到98.74%。然后进行除铁与除铜净化流程，制备出高浓度ZnSO₄溶液，锌的质量浓度为24.847 g/L。以ZnSO₄为原料，使用直接沉淀法完成前驱体制备，锌沉淀率为98.65%，并通过焙烧细化粒径，成品粒径低于56 nm。该过程中，通过升温速率控制颗粒状纳米氧化锌的粒径，得到平均粒径为24~56 nm的5种样品。在此基础上，研究了纳米氧化锌不同粒径对X波段与Ku波段的吸波性能，测试结果表明对于平均粒径为31 nm的纳米氧化锌，吸波反射率低于-10 dB的带宽达到1.47 GHz，初步达到军事工业应用的标准。
《铜业工程》创刊于1984年，由江西铜业集团有限公司主管主办，是我国铜工业领域全面反映铜产业链技术进步和金属材料科技创新的双月刊。中国工程院外籍院士、加拿大工程院院士、加拿大皇家科学院院士徐政和为期刊特约主编。期刊为《有色金属领域高质量科技期刊分级目录（2023）》T3级别，同时被美国《化学文摘》、俄罗斯《文摘杂志》《中国核心期刊（遴选）数据库》《万方数据库》《维普中文科技期刊数据库》等国内外检索数据库平台收录。本刊主要刊登铜、铅锌、稀有金属、贵金属等有色金属在采选、冶金、加工、环保、分析测试等方面的最新科研成果及应用，以及有色金属领域产业数字化、“双碳”战略推进等研究论文和综述文章。
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