聚結(jié)氣浮技術脫除鋅冶煉污酸中汞的試驗研究

徐克華 林江順 邵騰飛 秦樹辰 吳 濤 鄭朝振 張登凱

(1.深圳市中金嶺南有色金屬股份有限公司，深圳 518040；2.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；3.萬寶礦產(chǎn)有限公司，北京 100053)

鋅冶煉原料主要以硫化鋅精礦為主，硫化鋅精礦中的汞主要是以類質(zhì)同象形成存在于閃鋅礦中，采用選礦方法難以將其分離[1-3]。傳統(tǒng)分離鋅汞的方法一般在鋅冶煉的焙燒—制酸環(huán)節(jié)。首先采用流態(tài)化焙燒使硫化鋅氧化形成氧化鋅和二氧化硫，硫化汞氧化形成汞和二氧化硫，所形成的汞以蒸汽形式與二氧化硫一同進入焙燒煙氣，經(jīng)過凈化后送往制酸系統(tǒng)，在凈化過程中將煙氣中所含的汞和砷等重金屬脫除下來，形成組分較為復雜的污酸[4-6]。污酸中所含的汞、砷和鎘等重金屬濃度雖然較低，但若不加以處理直接排放，會嚴重污染水體和土壤，其所含的重金屬離子會逐步遷移進入生態(tài)系統(tǒng)危害人體健康，還會造成重金屬和酸的資源浪費。

目前污酸處理工藝主要包括中和沉淀法、中和硫化法、生物制劑法、硫化—石灰鐵鹽法以及石灰鐵鹽法。這些方法都具有一定的局限性和不足之處，如生物制劑法脫汞率較低，中和沉淀法和中和硫化法會形成大量廢渣，需要進行二次處理，鐵鹽沉淀法的處理費用相對較高[7-8]。聚結(jié)氣浮技術利用物質(zhì)的理化性能特點將廢水中的膠體態(tài)雜質(zhì)和離子態(tài)雜質(zhì)遷移富集到相界面進行聚結(jié)，促使廢水中所含雜質(zhì)聚結(jié)沉淀，解決傳統(tǒng)處理方法難以同時脫除膠體態(tài)雜質(zhì)和離子態(tài)雜質(zhì)的問題[1.9-11]。M201是一種高分子聚合物，其長碳鏈上存在活性官能團，能夠吸附分散體系中的汞微粒，通過架橋作用形成線狀結(jié)構的聚合物，最后在微小氣泡的作用下不斷碰撞長大形成絮團，該聚合物針對膠態(tài)汞和離子汞均具有高效的聚結(jié)作用，而對其他元素聚合作用相對較小，具有較好的選擇性[1]。本文采用自主研發(fā)的M201試劑為聚結(jié)劑，采用聚結(jié)氣浮技術處理鋅冶煉系統(tǒng)污酸中的汞，將污酸中膠體汞和離子汞聚結(jié)形成易于回收利用的汞富集物，同時實現(xiàn)污酸的高效處理和汞元素的資源化利用。

1 試驗

1.1 原料

試驗用污酸來自國內(nèi)某鋅冶煉企業(yè)焙燒工序，呈白灰色渾濁狀態(tài)，有刺鼻性二氧化硫氣味，汞含量為470 mg/L，其他元素成分見表1。

表1 污酸成分

1.2 試驗裝置及試驗方法

試驗裝置示意圖如圖1所示。首先，取一定量的M201試劑，置于帶有攪拌的燒杯中，加入一定量的去離子水，室溫攪拌直至試劑完全溶解，配制M201試劑濃度為50 g/L的溶液；然后，取250 mL污酸于燒杯中，加入一定量配制好的M201溶液，打開攪拌至設定值，攪拌一定時間后將其倒入氣浮柱內(nèi)，定量速鼓入空氣，一定時間后，停止鼓氣，從下側(cè)出水口放出水溶液即為脫汞后液，取脫汞后液分析其成分。

2 結(jié)果與討論

2.1 聚結(jié)劑M201用量對汞、砷脫除的影響

試劑M201用量是試驗效果的關鍵影響因素，為了考察M201用量對污酸汞和砷脫除效果及差異，在室溫、混合時間10 min、氣浮時間10 min、空氣流量0.1 L/min和混合攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下進行了M201試劑用量條件試驗，結(jié)果如圖2所示。

圖2 聚結(jié)劑M201用量對汞、砷脫除的影響Fig.2 Effects of coalescer M201 dosage on Hg and As removal

由圖2可以看出，當聚結(jié)劑M201加入量為0.8 mL/L污酸時，汞脫除率達到71.49 %，污酸中殘余汞含量為134 mg/L，繼續(xù)加入試劑至6 mL/L污酸時，汞脫除率達到99.55 %，污酸中殘余汞含量為2.1 mg/L，繼續(xù)增大試劑用量，脫汞效果增幅不再明顯，因此后續(xù)試驗選擇聚結(jié)劑M201加入量為6 mL/L污酸。

2.2 溫度對汞、砷脫除的影響

反應溫度會影響到聚結(jié)劑M201的穩(wěn)定性，進而影響試劑的聚結(jié)作用效果。為了考察反應溫度對污酸汞和砷脫除效果，在聚結(jié)劑M201添加量6 mL/L污酸、混合時間10 min、氣浮時間10 min、空氣流量0.1 L/min、混合攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下進行溫度條件試驗，結(jié)果如圖3所示。

圖3 溫度對汞、砷脫除的影響Figu.3 Effects of temperature on Hg and As removal

由圖3可以看出，溫度對汞、砷脫除影響較大，升溫不利于汞砷的脫除，在室溫20 ℃，汞、砷脫除率最高，當升高溫度至70 ℃后汞、砷脫除率較低，污酸中殘余量最高，這是因為升高溫度會影響聚結(jié)劑M201的穩(wěn)定性能，溫度過高時M201試劑會被降解，團聚性能降低，進而影響汞、砷的脫除，因此，試驗應優(yōu)先選擇在室溫下進行。

2.3 混合時間對汞、砷脫除的影響

試劑M201與污酸混合程度關系到與金屬離子的結(jié)合情況，進而影響汞、砷的脫除效果，一般，延長混合時間能夠提高混合程度，有利于提高試驗效果，但攪拌時間過長會打散所形成的聚結(jié)物，降低汞、砷脫除效果。為了考察混合時間對污酸汞和砷脫除效果及差異，在室溫、M201添加量為6 mL/L污酸、氣浮時間10 min、空氣流量0.1 L/min、混合攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下進行混合時間條件試驗,結(jié)果如圖4所示。

圖4 混合時間對汞、砷脫除的影響Fig.4 Effects of mixing time on mercury and arsenic removal

由圖4可以看出，混合時間對汞脫除的影響較大，對砷脫除的影響較小，延長混合時間增大了污酸中殘余汞含量，降低了汞的脫除效果，這是因為聚結(jié)劑M201與汞混合速度很快，短時間既能完成混合，延長反應時間后攪拌槳會將聚合物打碎，降低了效果。因此，混合時間無需太長，5 min即可。

2.4 氣浮時間對汞、砷脫除的影響

在體系中通入氣泡能夠帶動聚結(jié)物向上浮動，氣浮時間會影響聚合物上浮效果，進而影響汞、砷脫除效果，為了考察氣浮時間對污酸汞和砷脫除效果及差異，在室溫、M201添加量為6 mL/L污酸、混合時間10 min、空氣流量0.1 L/min、混合攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下進行氣浮時間條件試驗研究，結(jié)果如圖5所示。

圖5 氣浮時間對汞、砷脫除的影響Fig.5 Effects of flotation time on mercury and arsenic removal

由圖5可以看出，隨著氣浮時間的延長，殘余汞、砷含量整體上呈微弱下降趨勢，說明氣浮時間對于汞、砷的脫除稍有影響。由于氣浮時間延長能夠使得聚合物穩(wěn)定處于溶液頂部，有利于汞、砷的脫除，綜合考慮，優(yōu)選氣浮試劑為10 min。

2.5 酸濃度對汞、砷脫除的影響

不同生產(chǎn)工藝或者原料不同，產(chǎn)出的污酸酸度有所不同，為了考察酸濃度對污酸汞和砷脫除效果及差異，在室溫、聚結(jié)劑M201添加量為6 mL/L污酸、混合時間10 min、氣浮時間10 min、空氣流量0.1 L/min和混合攪拌轉(zhuǎn)速350 r/min的條件下進行了酸濃度條件試驗，結(jié)果如圖6所示。

圖 6 酸濃度對汞、砷脫除的影響Fig.6 Effects of acid concentration on mercury and arsenic removal

由圖6可以看出，酸濃度對汞和砷的脫除影響較大，對污酸原液添加聚結(jié)劑M201后，溶液中的汞含量能夠?qū)⒅?.1 mg/L，提高污酸濃度后，汞的脫除率降低，說明高酸度不利于汞的高效脫除。在實際生產(chǎn)中，優(yōu)先考慮進行低酸度條件進行汞、砷脫除。

3 結(jié)論

1)以自主研發(fā)的高分子聚合物M201試劑為聚結(jié)劑，采用聚結(jié)氣浮技術可有效脫除鋅冶煉污酸中的汞和砷，達到汞的高效深度脫除效果。

2)最佳聚結(jié)氣浮脫汞工藝條件：M201試劑濃度50 g/L、添加量為6 mL/L污酸、反應溫度為室溫、混合時間5 min、氣浮時間10 min、酸度為33.67 g/L，在此條件下的脫汞率可達到99%以上，殘余汞含量2 mg/L，脫砷除率為31.56%，殘余砷含量為21.9 mg/L，可較好地分離砷和汞，實現(xiàn)一步除汞。

3)聚結(jié)氣浮技術能夠?qū)⒁睙捨鬯嶂械哪z體汞和離子汞聚結(jié)脫除，適用于銅、鉛、鋅等重金屬污酸處理，脫汞后形成的汞聚結(jié)物含汞較高，易于回收利用，該技術能夠同時實現(xiàn)污酸的高效處理和汞元素的資源化利用，對于重金屬的清潔冶煉具有重要意義。