電鋅工藝中銅渣除氯應用實踐

劉佐良

(青海湘和有色金屬有限責任公司，西寧 811605)

在電鋅生產系統(tǒng)中，氟、氯離子的高濃度存在不僅對電積過程有較大的危害，同時會加速不銹鋼設備的腐蝕。資料[1-2]顯示電積過程中當系統(tǒng)中氟濃度超過 50 mg/L，氯濃度超過 200 mg/L后，會出現陽極板溶解的“燒板”現象，陰極板腐蝕，生產現場出現刺激性氣味，電流效率下降，電鋅產品雜質鉛等升高，貴重陽極板損害嚴重，設備腐蝕，生產現場環(huán)境惡化。

目前比較有效、可行的除氯技術為銅渣除氯，其除氯效率可達80%左右，且可操作性強，受到許多濕法煉鋅企業(yè)的青睞[3-5]。銅渣除氯主要利用單質銅和二價銅離子與溶液中的Cl-反應生成不溶物Cu2Cl2，從而除去溶液中的氯。但由于各企業(yè)工藝特點以及資源條件的不同，在運用銅渣除氯工藝時對實際條件的控制也不盡相同[6-7]。

為了解決我公司因生產系統(tǒng)沒有設計除氯工序，加之使用的中和劑含氯較高，氯在產系統(tǒng)中因得不到很好的開路而累積較多(超過900 mg/L)，從而導致陽極板腐蝕速度快、電解液中Pb濃度升高快(由 2 mg/L 左右快速升高至 7 mg/L)、生產的鋅錠含鉛量大于 0.005%(2#錠)的問題。本文在傳統(tǒng)銅渣除氯基礎上，為充分利用現有資源，同時節(jié)約銅鎘渣(危廢)處置費用，研究了以久置銅鎘渣除氯的可行性。具體是利用久置的銅鎘渣為原料，加入廢電解液制備Cu2SO4，引入鋅粉置換為單質銅，與溶液中的氯反應生成不溶物 Cu2Cl2，從而脫除溶液中的氯，保證電解液含氯維持在200 mg/L 以下。

1 試驗

1.1 原料

試驗用原料為中和工序產出的除鐵后液(溶液中的Cl-濃度為940 mg/L)、鋅粉(Zn總=98.00%)、電解工序產出廢電解液(含H2SO4175 g/L、銅 0.33 mg/L)、久置銅鎘渣(8年前產，約2萬t))，其中久置銅鎘渣主要化學成分見表1。

表1 銅鎘渣中主要成分Table 1 Main composition in copper and cadmium residue /%

1.2 試驗原理

利用銅鎘渣制備銅渣除氯反應方程式見式(1)至(6)。銅鎘渣中的單質銅久置氧化形成氧化銅，經硫酸置換形成二價銅離子，二價銅離子與溶液中的單質鋅和單質鎘發(fā)生置換反應生成部分單質銅，同時少量未失去活性的海綿銅氧化成二價銅進入溶液，與溶液中的氯離子發(fā)生沉淀反應，從而達到除氯的目的。

2Cu+O2=2CuO(氧化銅)

(1)

CuO+H2SO4=CuSO4+H2O

(2)

Zn+CuSO4=ZnSO4+Cu

(3)

Cd+CuSO4=CdSO4+Cu

(4)

2Cu+O2+2H2SO4=2CuSO4+2H2O

(5)

Cu+Cu2++2Cl-=Cu2Cl2↓

(6)

在酸洗銅鎘渣時，考慮到銅鎘渣中的銅因存放太久，氧化較嚴重，維持溶液pH值為3左右，具體試驗流程如圖 1 所示?；旌弦?1 過濾后，分別分析濾液和濾渣的含銅、含氯量。

1.3 試驗方法和試驗流程

銅渣除氯試驗在恒溫水浴鍋中進行，按照試驗方案計算的量分別向除鐵后液加入銅渣和濾液1、鋅粉，過程中所有試劑加入前后記錄下混合液2的液位高度，待溶液體積因蒸發(fā)減少至所有試劑加入前的體積后，每 10 min 加入一次去離子水以對混合液 2的體積進行定容。

圖1 銅渣制備及除氯試驗流程Fig.1 Flawsheet of preparation and dechlorination of copper slag experimental process

研究工藝為CuSO4·5H2O+鋅粉+除鐵后液、摩爾比Cu=Cu2+且(Cu+Cu2+)/Cl-比值為4、pH值5.0～5.5、反應時間60 min時，溫度變化對除氯后液含氯量的影響；工藝為濾液1+鋅粉+除鐵后液、pH值5.0～5.5、溫度60 ℃、反應時間60 min、摩爾比Cu=Cu2+時，(Cu+Cu2+)/Cl-摩爾比對除氯后液含氯量的影響；工藝為銅渣+濾液1+除鐵后液，在反應時間60 min時，研究pH值、摩爾比值、溫度分別對除氯后液含氯量的影響。

2 試驗結果與討論

2.1 酸洗銅鎘渣的試驗結果與討論

取1 000 g銅鎘渣加廢電解液進行酸洗，洗后質量為298.32 g，酸洗前后的主要成分見表 2。

表2 銅鎘渣酸洗前后的主要成分Table 2 Main compositions of Cu-Cd slag before and after pickling /%

由表2可知，酸洗后銅鎘渣中的銅含量明顯降低。在定量的銅鎘渣(1 000g)中加入飽和的廢電解液(H2SO4)后，滴定pH值為3，反應120 min，根據測定的濾液 1 中的銅含量計算，有74.76% 的銅發(fā)生了氧化。同時，酸洗過程中銅鎘渣有70.17% 的固體溶解進入電解廢液，說明銅鎘渣中的銅已被大量氧化，在酸洗過程中以 Cu2+的形式進入到溶液。

反應后，濾液 1 含氯460 mg/L，這部分氯主要來源于用于酸洗的廢電解液。

2.2 銅渣除氯試驗結果與討論

2.2.1 新制活性銅渣除氯

試驗組 1#～4#采用的是新制活性銅渣除氯法。在 pH 值5.0～5.5(即除鐵后液的自然pH值)、反應時間60 min、n(Cu)=n(Cu2+)=2n(Cl-)的情況下，40、50、60、70 ℃時除氯后液濃度依次為226、186、207、194 mg/L。說明溫度在 40～70 ℃內，銅渣對氯的脫除率均較高，達77%～81%，溫度對銅渣除氯的效果影響不大，最佳溫度為50 ℃，該溫度下的氯脫除率達到80.21%。

2.2.2 鋅粉置換銅鎘渣洗液形成單質活性銅粉銅渣除氯

試驗組5#～7#采用以酸洗后的濾液 1 提供 Cu2+，用鋅粉置換 Cu2+形成的單質活性銅粉進行除氯，銅氯摩爾比分別為 4、8、12時除氯后液濃度依次為257、162、113 mg/L。在pH值為 5.0～5.5、反應時間60 min、反應溫度70 ℃ 的條件下，氯的脫除率隨n(Cu)T/n(Cl-)比值的增大而升高，當n(Cu)T/n(Cl-)比值從 4增加到12時，氯的脫除率從 72.66%升高至 87.98%，其中n(Cu)T/n(Cl-)=12時的脫除率可達到87.98%。

2.2.3 銅鎘渣洗液與制備的單質銅渣除氯

試驗組5#～13#采用酸洗后所得濾液 1 提供 Cu2+，制備的銅渣提供單質銅進行除氯。工藝參數對氯的脫除率的影響如下：

1)銅氯摩爾比。在 pH 值為 5.0～5.5、反應時間60 min、n(Cu)=n(Cu2+)=2n(Cl-)、70 ℃時，銅氯摩爾比分別為2、4、10時除氯后液中的Cl-濃度依次為958、976、993 mg/L?？梢钥闯?，除氯后液中的氯離子隨著n(Cu)T/n(Cl-)比值的增大，不僅沒有減少，反而略微有增加，說明制備的銅渣中的銅已經失去了反應活性，導致試驗過程中即使加入較大過量系數的 Cu2+與 Cu，二者也不能與 Cl-發(fā)生反應生成 CuCl2沉淀。

2)pH值。在Cu=Cu2+且(Cu+Cu2+)/Cl-值為10、反應時間60 min、溫度70 ℃時，pH值依次為2.0～3.0、3.0～4.0、5.0～5.5 時，除氯后液濃度依次為1 001、998、993 mg/L。隨著 pH值的降低，除氯后液中的氯含量略微有所升高，但變化不大，說明pH值的變化不能使銅渣中的銅恢復活性，不能脫除溶液中的氯。此時，溶液中氯的增加一方面來自于濾液1補充 Cu2+時帶入，另一方面來自于加入電解廢液(c(Cl-)=980 mg/L)調節(jié) pH值時由電解廢液帶入。由于 Cu2+的過量系數越大，需要加入的濾液1越多，帶入的 Cl-也越多，因而使得除氯后液氯含量隨 Cu2+過量系數的增大而升高。

3)溫度。在Cu=Cu2+且(Cu+Cu2+)/Cl-=10、反應時間60 min，溫度依次為40、50、60、70 ℃時除氯后液濃度依次為1 025、1 012、1 007、993 mg/L。說明隨著反應溫度的升高，除氯后液中的氯含量呈略微減少的趨勢，但是整體上溶液中的氯并未被脫除，反而較除氯前有所上升，說明溫度的改變也不能激活銅渣中銅的活性。這種情況下，除氯前后溶液中氯的升高來自于濾液1補充 Cu2+時帶入。

3 結論

1)采用新制的活性銅粉除氯，銅渣除氯效果理想，在pH值為5.0～5.5、反應時間60 min、n(Cu)=n(Cu2+)=2n(Cl-)，采用硫酸銅提供銅離子，鋅粉置換銅離子生成的活性銅粉進行銅渣除氯，除鐵后液中氯的最佳脫除率可達80.21%。

2)采用銅鎘渣制備銅渣除氯的效果明顯。以銅鎘渣洗液提供銅離子，鋅粉置換銅離子生成活性銅粉進行銅渣除氯，在pH值為5.0～5.5、反應時間60 min、溫度 70 ℃ 條件下，除鐵后液中氯的脫除率隨n(Cu)T/n(Cl-)比值的增大而升高，氯的最佳脫除率可達87.98%。

3)采用久置的銅鎘渣進行除氯，因久值銅鎘渣中的大部分銅被氧化成氧化銅，另一部分失去與Cu2+和Cl-反應生成 CuCl2的活性，因此這部分銅渣通過調節(jié)溫度、pH值、n(Cu)T/n(Cl-)比值均不能有效地脫除溶液中的Cl-。