正交试验法研究废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解行为

巩春侠，崔好选，张喜亮，张红娜，张贺铭

（1.河北工程大学装备制造学院，河北 邯郸 056038；2.浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

正交试验法研究废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解行为

巩春侠1，2*，崔好选1，张喜亮1，张红娜1，张贺铭1

（1.河北工程大学装备制造学院，河北 邯郸 056038；2.浙江天能电池（江苏）有限公司，江苏 沭阳 223600）

废铅膏在柠檬酸钠水溶液中可有效脱硫，但废铅膏在其中的溶解率过大会影响其脱硫效果，因此，在脱硫研究过程中考虑溶解率是十分必要的。本文主要采用正交试验以及极差分析法来研究该问题。室温下，如果柠檬酸钠水溶液中ω（柠檬酸钠）=8.3％，废铅膏在其中的溶解率为13.32％。通过极差分析判断出各因素（溶解温度、溶解时间及水溶液中柠檬酸钠所占的质量分数）对溶解率的影响程度。试验结果显示：影响溶解率最大的因素为柠檬酸钠的质量分数，其次是溶解温度，溶解时间为最小的影响因素。在20℃、ω（柠檬酸钠）=25％的柠檬酸钠水溶液中溶解 60 min 可以得到试验组中最低的溶解率。

废铅膏；溶解过程；正交试验；铅酸蓄电池；柠檬酸钠；脱硫

0　前言

随着社会和科学技术的日益发展，人们生活水平的不断提高，资源不断地被人们所消耗，导致环境污染问题日益严重。可持续发展已成为我国的基本国策，能源和环保已经成为人们关注的两大热点问题。

近年来，血铅超标事件频频发生，铅中毒会对人体的神经系统、血液系统、消化系统产生巨大的影响，当血铅水平超过 1000 g/L 时，可出现心律失常、肾功能衰竭、惊厥、昏迷甚至死亡等症状。因此，减少重金属铅的排放对人类的生存显得尤其重要。环境中重金属铅的重要来源之一便是铅酸蓄电池所产生的废铅膏。传统的火法［1-2］回收废铅膏会产生sO2气体，SO2气体是酸雨的主要来源，酸雨除了对建筑物等造成腐蚀外，还会导致水生物减少甚至灭绝。因此探究有效的脱硫方法，避免sO2气体的产生在废铅膏的回收过程中显得尤其重要。

常用的脱硫剂包括碳酸盐［3-5］（NaHCO3、NH4HCO3）、NaOH［10-11］、NaCl-HCl［12］、柠檬酸钠（C6H8O7·H2ONa3C6H5O7·H2O）［13-17］）等。与其它脱硫剂相比，柠檬酸钠作为脱硫剂［13-18］具有独特的优势，其可以与废铅膏中的主要成分 PbSO4反应，生成柠檬酸铅，再在温度为300～400℃条件下焙烧一定时间，得到的PbO 可直接作为铅酸蓄电池的正极材料应用。该回收过程中避免了sO2的产生，能耗低，缩短了工艺流程。

为了提高脱硫率，应降低废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率，因此，本课题组采用单因素法，研究了温度和水溶液中 ω（柠檬酸钠）对废铅膏在柠檬酸钠水溶液中溶解率的影响［19-20］。但是，由单因素法所得到的各因素最佳条件组合后不一定是最佳结果，想得到最佳组合实验条件可以采用全面试验或正交试验法。然而，试验法需要较多的试验次数。例如，在三因素三水平试验中，如果采用全面试验法，需要 33=27 次试验，而正交试验法仅需要9 次试验，便可以找出最佳试验组。因此，本文将采用正交试验法，研究 ω（柠檬酸钠）、溶解时间和溶解温度等因素对废铅膏在柠檬酸钠水溶液中溶解率的影响，找出溶解率最低的实验条件。

1　实验

1.1废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解行为分析

用容量瓶配置 ω（柠檬酸钠）=8.3％的柠檬酸钠水溶液 100 mL，取出 60 mL 移至烧杯中，称取4.848 g 废铅膏加入其中，室温条件下（20℃）搅拌 5 min，过滤，记录滤液的体积及滤液的pH 值，并取滤液稀释 2000 倍后用AAS 检测滤液中铅离子的质量浓度，将滤饼烘干称重。根据检测数据，按公式（1）计算废铅膏的溶解率，结果见表1。

式中：r—溶解率；ρ—滤液中铅离子的质量浓度，单位 g/L；V—滤液的体积，单位 L；m—废铅膏的质量 ，单位 g。

表1　废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解行为

1.2正交试验法分析溶解时间、溶解温度、ω（柠檬酸钠）对溶解率的影响

本文所选取的试验方法为三因素四水平正交试验，见表2［18］。实验过程为：配置柠檬酸钠水溶液 100 mL ，将废铅膏（10 g ）加入其中，搅拌溶解后过滤，记录滤液的体积、pH 值、滤液中铅离子的质量浓度和滤饼烘干后的质量，计算废铅膏的溶解率。在试验过程中需要配置的柠檬酸钠水溶液中ω（柠檬酸钠）分别为10％、20％、25％和30％，选取试验温度分别为20、30、50和70℃，溶解搅拌时间分别为5、20、40和60 min。考察柠檬酸钠水溶液中，ω（柠檬酸钠）、溶解温度和溶解时间对废铅膏溶解率的影响，结果见表3。其中，Tjk表示正交试验表中第j 列因素水平 k（k=1、2、3、4）的4 次试验指标之和，Tjk=Tjk/4 表示第j 列因素水平 k的4 次试验指标的平均值。Rj表示极差，定义为：Rj（溶解率）=max（Tjk）-min（Tjk）

分别以表2中各因素的4 个水平为横坐标，在4 个水平时溶解率的均值为纵坐标作图。ω（柠檬酸钠）、溶解温度和溶解时间对溶解率的影响分别如图1、图2和图3所示。

表2　正交试验设计表

表3　正交试验结果表

图1　ω（柠檬酸钠）对废铅膏溶解率的影响

从图1和表2 可知，随着 ω（柠檬酸钠）的增大，废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率呈先上升又下降的趋势。分析原因，当 ω（柠檬酸钠）高于25％时，废铅膏中有部分硫酸铅与柠檬酸钠反应，生成柠檬酸铅和铅等化合物，改变了废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率 。从图1 可以看出，ω（柠檬酸钠）为25％时，废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率最低。

图2和表2 结果显示，随着溶解温度的升高，废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率呈先上升又下降的趋势，20℃时为11.534 4％；30℃时上升到15.181 0％，50℃时又下降到 13.439 0％，70℃时继续下降到 11.942 9％。分析原因，随着溶解温度的升高，废铅膏溶解率逐渐增大，但当溶解温度高于50℃时，废铅膏中有部分硫酸铅与柠檬酸钠反应，生成柠檬酸铅和铅等化合物，降低了废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率。从图2 可知，溶解温度为70℃时，废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率最低。

图2　温度对废铅膏溶解率的影响

图3　溶解时间对废铅膏溶解率的影响

从图3和表2 可知，随溶解时间的延长，柠檬酸钠水溶液中废铅膏的溶解率呈下降趋势，当溶解 5 min 时，溶解率为13.593 2％；60 min 时，溶解率下降至 12.383 3％。原因为，随着溶解时间的延长，废铅膏溶解率应逐渐增大，但同时废铅膏中有部分硫酸铅与柠檬酸钠反应，生成柠檬酸铅等化合物，降低了柠檬酸钠水溶液中废铅膏的溶解率。因此，随着溶解时间的延长，柠檬酸钠水溶液中废铅膏的溶解率呈下降的趋势，且溶解时间为60 min时，废铅膏在柠檬酸钠水溶液中的溶解率最低。

综上所述，溶解率最低的实验组为：20℃下，在ω（柠檬酸钠）= 25％的柠檬酸钠水溶液中溶解 60 min。柠檬酸钠浓度、溶解温度和溶解时间三因素溶解率极差分别为67.535 8％、14.588 5％和4.839 8％，因此，对柠檬酸钠水溶液中废铅膏的溶解率影响因素最大的为柠檬酸钠水溶液的浓度，其次为溶解温度，影响最小的为溶解时间。

2　结论

本次研究中，溶解率最低的实验组为：20℃（11.534 4％）下，在ω（柠檬酸钠）=25％的柠檬酸钠水溶液（7.196 8％）中溶解 60 min （12.383 3％）。对柠檬酸钠水溶液中废铅膏的溶解率影响最大的因素为柠檬酸钠水溶液的浓度，其次为溶解温度，最小的影响因素为溶解时间。因此，利用柠檬酸钠水溶液对废铅膏进行脱硫时，应严格控制柠檬酸钠水溶液中 ω（柠檬酸钠）和反应温度，20℃下，在ω（柠檬酸钠）为25％的柠檬酸钠水溶液中反应60 min 脱硫效果可能会较佳。

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Thestudy oFdissolution behavior oFscrap lead paste insodium citrate aqueoussolution by orthogonal experiment

GONG Chunxia1，2*，CUI Haoxuan1，ZHANG Xiliang1，ZHANG Hongna1，ZHANG Heming2
（1.Equipment Manufacturing College，Hebei University oFEngineering，Handan Hebei 056038；2.Zhejiang Tianneng Battery（Jiangsu）Co.，Ltd.，shuyang Jiangsu 223600，China）

The desulphurization processes oFscrap lead paste can be effectivelyFinished insodium citrate aqueoussolution，but the larger dissolution ratio oFscrap lead paste will affect desulphurization result.Therefore，it is very necessary to take into account the dissolution ratio oFscrap lead paste insodium citrate aqueoussolution.Dissolution processes have beenstudied by orthogonal experiment and range analysis in this paper.The dissolution rate is 13.2％in 8.3 wt％sodium citrate aqueoussolution at room temperature.The effect degrees oFdissolution temperature，dissolution time and concentration oFsodium citrate aqueoussolution have been researched by range analysis method.TheFirst influenceFactor is concentration oFsodium citrate aqueoussolution，thesecond is dissolution temperature and the minimumFactor is dissolution time.IFthescrap leads paste is dissolved 60 min at 20℃，its dissolution ratio is lowest in the experimental group.

scrap lead paste；dissolution process；orthogonal experiment；lead-acid battery；sodium citrate；desulphurization

TM 912.9

A

1006-0847（2016）05-241-05

2016-05-18

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