碱浸—电解法资源化处理氧化型含锌危险废料研究

发布时间：2020-08-11 14:50

【摘要】：氧化型含锌危险废物会对环境造成严重的危害,因此无害化、资源化处理氧化型含锌危险废物势在必行,本着改善环境质量,缓解锌需求量急剧增加与锌精矿资源日趋枯竭的矛盾、克服传统湿法提锌工艺的缺陷目的,本论文基于锌的强碱介质选择性浸出、低电解能耗优势,对氧化型含锌危险废物的碱浸—净化—电解—苛化生产金属锌粉技术展开了系统地研究。通过优化浸取条件、彻底净化杂质、高值化电积回收等技术,使碱浸—电解工艺的工业化应用取得良好环境和经济效益,并得到以下主要结论： (1)构建了Zn(Ⅱ)-NaOH-H2O体系热力学模型,在强碱性溶液中,锌是以zn(OH)42-和ZnO22-形式存在的,并确定了锌的平衡浓度与碱浓度的关系,用实验进行验证,测得在不同碱浓度下,锌的平衡浓度计算值和实验值相对偏差的绝对平均值为0.1298%,说明热力学模型是正确的。 (2)氧化型含锌废料强碱浸取时,含锌烟灰原料最佳浸出条件为：NaOH浓度6mol/L、温度90℃、浸出时间120min、液固比10：1、颗粒直径100～160目、搅拌速率为300r/min,锌浸出率可达90%以上：ZnCO3原料最佳浸取条件为：NaOH浓度6mol/L、温度90℃、浸出时间120min、液固比10：1、颗粒直径100～160目、搅拌速率450r/min,锌浸出率超过90%；Zn2Si04原料最佳浸取条件为：NaOH浓度8mol/L、温度90℃、浸出时间240min、液固比8：1、颗粒直径100-160目、搅拌速率450r/min,锌浸出率接近85%。浸取参数对锌浸出影响大小的顺序分别为：ZnO原料,RTCNaOHDtV；ZnC03原料,RTVDCNaOHt；Zn2Si04原料,tVTRCNaOHD。 (3)含锌烟灰在强碱性溶液中的活化能为42.00kJ/mol、碳酸锌矿的活化能为43.15kJ/mol,表明碱浸取含锌烟尘和碳酸锌矿过程主要受化学反应控制；硅酸锌矿在碱溶液中的浸出过程分为两段,在0～10min内其活化能为13.59kJ/mol,表明在浸取开始段内是受内扩散控制,浸出后端其活化能为31.86kJ/mol,表明浸取后段的过程是受化学反应和内扩散共同控制。 (4)硫化钠可选择性定量分离强碱性溶液中的铅锌,并发现硫酸铁、硫酸钠、氧化钙对强碱性溶液中的砷、铝等杂质具有一定的净化作用,以此提出了浸出液深度净化工艺：将浸取液升温到70℃,加入硫化钠,硫化钠的加入量为浸取液中铅含量的1.8倍(质量比),搅拌1.5h；加入硅酸钠,硅酸钠的加入量为每升浸取液1.5g,搅拌1h；加入硫酸铁,硫酸铁的加入量为每升浸取液1g,搅拌1h；再加入石灰,石灰的加入量为硫化钠加入量的0.8倍,搅拌1h；静置4h,过滤,输送入陈化池陈化48小时后电解。 (5)对Zn(Ⅱ)-NaOH-H2O体系中锌电积理论分解电压进行了计算,在强碱性溶液中锌电积的理论分解电压为1.728V,比传统硫酸锌溶液锌电积分解电压低0.352V；其锌电积的最佳工艺条件为：电流密度800～1000A/m2,碱浓度180～200g/L,电解温度30-50℃,锌浓度30-40g/L,电流效率可达99%以上,电能耗为2.38kWh/kg锌粉；锌在阴极板上析出时,增加电流密度、降低溶液温度,锌粉从麦穗状向具有更大比表面积的薄片状转变；增大电解液碱浓度,锌粉从薄片状向层状、石块状转变；电解液锌浓度越大,越易形成粒径较大的锌粉。 (6)研究了As、Cl-、SiO32-、SO42、CO32-、F-、Al、Pb、 Mg、Fe、Ni、Mn、Ca、Cd、Cr、Cu等对电解金属锌粉的影响,确定电解液中杂质许可的浓度范围。 (7)提出了废电解液的苛化处理工艺：在废电解液中加入碱,使碱浓度达到350g/L,通过提高碱浓度使碳酸钠和一些杂质结晶生成沉淀。在沉淀中加入洗渣水等废水,控制苛化液的碱浓度在80-100g/L范围内,碳酸钠的浓度在40g/L以上。苛化工艺参数确定为：氧化钙的加入量为理论值的1.5～1.8倍；温度为90℃；苛化时间为30min；废电解液经过苛化处理后,1m3的废电解液可苛化出约28kg碱,废电解液在经过苛化处理后,废液中的铁、铜、镁、锰、镉、铬等重金属的去除率在10-40%左右,对砷的去除率达到62%,废电解液苛化工艺具有较好的除杂效果。 (8)设计了年处理1万吨氧化型含锌危险废料再生加工厂,对磨矿、浸取、净化、电解、锌粉清洗干燥粉碎工艺段的设备进行了最优化设计。根据设计建成的某锌废料再生加工厂锌浸取率达到90%以上,生产的金属锌粉能达到国家锌粉二级标准,运营状况良好。 (9)经过碱浸处理的氧化型含锌危险废料变为一般固体废弃物,实现了无害化,对环境的危害大大降低。总之,无论从经济效益、环境效益还是社会效益方面含锌危险废物的碱浸—电解—制备金属锌粉工艺比传统锌粉生产方法更具有竞争优势,它可以利用酸法炼锌不能利用的含氟、氯、硅的贫杂氧化锌矿和含锌废料,是氧化型含锌危险废料的全湿法清洁工艺,具有广阔的工业化应用前景。
【学位授予单位】：中南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2011
【分类号】：X70

【参考文献】