基于超聲技術(shù)的鋅電解顆粒物減排中試研究

覃岳彬

（南方有色金屬集團(tuán)有限公司，廣西 河池 547299）

濕法煉鋅技術(shù)因其高回收率、低能耗等優(yōu)勢(shì)，在鋅冶煉行業(yè)中占據(jù)著主要地位。但是隨著人們對(duì)環(huán)保問(wèn)題越來(lái)越重視，濕法煉鋅技術(shù)因其顆粒物污染而備受詬病。在濕法煉鋅的電解工段，電解液中的氧氣會(huì)攜帶硫酸液滴從表面破出，這些酸霧除了對(duì)設(shè)備有著強(qiáng)烈的腐蝕性外，對(duì)操作人員的健康也有著很大的影響。本文主要基于超聲技術(shù)對(duì)鋅電解過(guò)程中產(chǎn)生的酸霧進(jìn)行抑制，希望能為超聲技術(shù)在濕法煉鋅中的應(yīng)用提供參考。

一、材料與方法

（一）超聲電解實(shí)驗(yàn)

本次超聲電解實(shí)驗(yàn)在中試規(guī)模的電解設(shè)備上進(jìn)行，采用尺寸為1.30m×0.90m×0.30m 尺寸的聚丙烯電解槽；實(shí)驗(yàn)中涉及的電極與相關(guān)企業(yè)電解設(shè)備尺寸相同，極距為60.0mm，包括兩個(gè)950mm×620mm 的陽(yáng)極和一個(gè)1000m×666mm的陰極。鋅電解液主要包括H2SO4（150g/L）、Zn2+（40g/L）、Mn2+（7g/L），電解液溫度保持在40±1.0℃，同時(shí)依照實(shí)際生產(chǎn)中Zn2+的消耗速率不斷補(bǔ)充Zn2+。依照試驗(yàn)的實(shí)際需求，將上述設(shè)備分為兩組，一組為對(duì)照組，一組為試驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組設(shè)備另添加由六組超聲振板和超聲控制器組成的超聲系統(tǒng)（總功率為16.0KW，單位體積功率為0.7W/mL），和相應(yīng)的冷凝系統(tǒng)，保證電解液保持在40±1.0℃。

（二）顆粒物采樣與分析

顆粒物采樣裝置有集氣罩、管道、風(fēng)機(jī)和噴淋塔等部分組成，整體流速為7.0～7.8m/s，滿足采樣需求。顆粒物的采集采用等速采樣法，采用總煙塵平行采樣儀，將顆粒物收集于稱重后的濾膜上，每次平行實(shí)驗(yàn)采集4 個(gè)平行樣，每個(gè)平行樣采集15min。采樣前后，將濾膜置于干燥皿中穩(wěn)定48h，利用萬(wàn)分之一電子天平對(duì)濾膜稱重并記錄，計(jì)算其差值得到顆粒物樣品的質(zhì)量，結(jié)合采樣時(shí)間和采樣流量等信息計(jì)算得到顆粒物的質(zhì)量濃度。然后，將剪碎的濾膜置于帶蓋離心管中，加入10mL 超純水，超聲萃取40min，使得H2SO4充分溶解在水中，再采用pH 計(jì)對(duì)水中的H+進(jìn)行檢測(cè)，即可得到通過(guò)濾膜采集的顆粒物中的硫酸霧濃度。

二、結(jié)果與討論

基于上述超聲電解實(shí)驗(yàn)的設(shè)備和技術(shù)，本次研究將對(duì)照組分為了3 組，每組進(jìn)行四次試驗(yàn)。對(duì)照1 組第一次試驗(yàn)的PM 濃度為8.6213mg/m3，硫酸霧濃度為1.0406mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM 濃度為6.0206mg/m3，硫酸霧濃度為1.1028mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為9.5502mg/m3，硫酸霧濃度為1.3541mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為8.8311mg/m3，硫酸霧濃度為1.3055mg/m3。

對(duì)照2 組第一次試驗(yàn)的PM 濃度為10.1334mg/m3，硫酸霧濃度為2.0313mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM濃度為8.8147mg/m3，硫酸霧濃度為2.0052mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為9.7263mg/m3，硫酸霧濃度為2.0806mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為4.3450mg/m3，硫酸霧濃度為0.9135mg/m3。

對(duì)照3組第一次試驗(yàn)的PM濃度為8.0315mg/m3，硫酸霧濃度為1.1553mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM 濃度為10.0318mg/m3，硫酸霧濃度為2.0051mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為9.1142mg/m3，硫酸霧濃度為2.0720mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為8.6840mg/m3，硫酸霧濃度為1.8611mg/m3。

基于對(duì)照組的結(jié)果，在傳統(tǒng)電解實(shí)驗(yàn)中，顆粒物的排放濃度為9.21±0.56mg/m3，硫酸霧排放濃度為1.82±0.29mg/m3。

基于其他條件相同的情況下，本次研究同樣將試驗(yàn)組分為了三組，每組進(jìn)行四次試驗(yàn)。

試驗(yàn)1組第一次試驗(yàn)的PM濃度為7.2354mg/m3，硫酸霧濃度為1.3814mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM 濃度為7.7402mg/m3，硫酸霧濃度為1.0441mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為7.2360mg/m3，硫酸霧濃度為1.5113mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為7.0486mg/m3，硫酸霧濃度為1.0547mg/m3。

試驗(yàn)2組第一次試驗(yàn)的PM濃度為3.8134mg/m3，硫酸霧濃度為0.7457mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM 濃度為5.0118mg/m3，硫酸霧濃度為0.8101mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為4.5401mg/m3，硫酸霧濃度為0.8548mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為4.2353mg/m3，硫酸霧濃度為0.8408mg/m3。

試驗(yàn)3組第一次試驗(yàn)的PM濃度為3.6051mg/m3，硫酸霧濃度為0.6509mg/m3；第二次試驗(yàn)的PM 濃度為3.4720mg/m3，硫酸霧濃度為0.6606mg/m3；第三次試驗(yàn)的PM 濃度為3.1122mg/m3，硫酸霧濃度為0.6033mg/m3；第四次試驗(yàn)的PM 濃度為4.0137mg/m3，硫酸霧濃度為0.5372mg/m3。

基于試驗(yàn)組的結(jié)果，在進(jìn)行超聲技術(shù)優(yōu)化后，鋅電解過(guò)程中的顆粒物的排放濃度為5.07±1.61mg/m3，硫酸霧排放濃度為0.83±0.23mg/m3。

可以看出在采用超聲技術(shù)前后，顆粒物排放濃度由9.21±0.56mg/m3變成了5.07±1.61mg/m3，下降幅度為45.5%；硫酸霧排放濃度由1.82±0.29mg/m3變成了0.83±0.23mg/m3，下降幅度為52.5%。

超聲通過(guò)減少氣體產(chǎn)生量減少顆粒物和硫酸霧的排放。顆粒物來(lái)自于氣泡的爆破，氣體量的增加會(huì)導(dǎo)致氣泡數(shù)量或尺寸的增加。根據(jù)相關(guān)研究的計(jì)算數(shù)據(jù)：在恒電流電解中，氣體產(chǎn)生量與氣體生成反映的電流效率成正比。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)電解試驗(yàn)的Mn 電流效率為1.29%，超聲電解試驗(yàn)的Mn 電流效率為20.59，說(shuō)明超聲增強(qiáng)了Mn 在陽(yáng)極的電化學(xué)反應(yīng)。在傳統(tǒng)電解中，陽(yáng)極反應(yīng)主要有析氧反應(yīng)、Pb 的氧化反應(yīng)以及Mn2+的氧化還原反應(yīng)，其中析氧反應(yīng)和Mn2+的氧化反應(yīng)的電流效率分別為98.7%和1.29%左右（由于Pb 的氧化反應(yīng)在電流效率中占比很小，在同其他陽(yáng)極反應(yīng)比較時(shí)可忽略不計(jì)），對(duì)于恒電流電解來(lái)說(shuō)，Mn 電解反應(yīng)的增強(qiáng)可能會(huì)使得析氧反應(yīng)減弱，在本次試驗(yàn)中，析氧反應(yīng)的電流效率從98.7%降至79.4%。由于電流密度相同，因此O2產(chǎn)生量減少了19.3%。另外，超聲也會(huì)通過(guò)增強(qiáng)鋅沉積而減少析氫反應(yīng)的電流效率，進(jìn)而減少H2 產(chǎn)生量，由此可以看出在本次試驗(yàn)中，超聲的引入使得析氫反應(yīng)的電流效率從61.8%降至39.3%，H2 的產(chǎn)生量減少22.5%。因此，反應(yīng)中氣體產(chǎn)生總量減少，使得酸霧以及顆粒物減少。

三、結(jié)語(yǔ)

在采用超聲技術(shù)前后，顆粒物排放濃度由9.21±0.56mg/m3變成了5.07±1.61mg/m3，下降幅度為45.5%；硫酸霧排放濃度由1.82±0.29mg/m3變成了0.83±0.23mg/m3，下降幅度為52.5%。同時(shí)，超聲增加了鋅電解的電流效率且降低了能耗，是一種具有應(yīng)用前景的酸霧抑制技術(shù)。