基于超声技术的锌电解颗粒物减排中试研究

覃岳彬

（南方有色金属集团有限公司，广西 河池 547299）

湿法炼锌技术因其高回收率、低能耗等优势，在锌冶炼行业中占据着主要地位。但是随着人们对环保问题越来越重视，湿法炼锌技术因其颗粒物污染而备受诟病。在湿法炼锌的电解工段，电解液中的氧气会携带硫酸液滴从表面破出，这些酸雾除了对设备有着强烈的腐蚀性外，对操作人员的健康也有着很大的影响。本文主要基于超声技术对锌电解过程中产生的酸雾进行抑制，希望能为超声技术在湿法炼锌中的应用提供参考。

一、材料与方法

（一）超声电解实验

本次超声电解实验在中试规模的电解设备上进行，采用尺寸为1.30m×0.90m×0.30m 尺寸的聚丙烯电解槽；实验中涉及的电极与相关企业电解设备尺寸相同，极距为60.0mm，包括两个950mm×620mm 的阳极和一个1000m×666mm的阴极。锌电解液主要包括H2SO4（150g/L）、Zn2+（40g/L）、Mn2+（7g/L），电解液温度保持在40±1.0℃，同时依照实际生产中Zn2+的消耗速率不断补充Zn2+。依照试验的实际需求，将上述设备分为两组，一组为对照组，一组为试验组，实验组设备另添加由六组超声振板和超声控制器组成的超声系统（总功率为16.0KW，单位体积功率为0.7W/mL），和相应的冷凝系统，保证电解液保持在40±1.0℃。

（二）颗粒物采样与分析

颗粒物采样装置有集气罩、管道、风机和喷淋塔等部分组成，整体流速为7.0～7.8m/s，满足采样需求。颗粒物的采集采用等速采样法，采用总烟尘平行采样仪，将颗粒物收集于称重后的滤膜上，每次平行实验采集4 个平行样，每个平行样采集15min。采样前后，将滤膜置于干燥皿中稳定48h，利用万分之一电子天平对滤膜称重并记录，计算其差值得到颗粒物样品的质量，结合采样时间和采样流量等信息计算得到颗粒物的质量浓度。然后，将剪碎的滤膜置于带盖离心管中，加入10mL 超纯水，超声萃取40min，使得H2SO4充分溶解在水中，再采用pH 计对水中的H+进行检测，即可得到通过滤膜采集的颗粒物中的硫酸雾浓度。

二、结果与讨论

基于上述超声电解实验的设备和技术，本次研究将对照组分为了3 组，每组进行四次试验。对照1 组第一次试验的PM 浓度为8.6213mg/m3，硫酸雾浓度为1.0406mg/m3；第二次试验的PM 浓度为6.0206mg/m3，硫酸雾浓度为1.1028mg/m3；第三次试验的PM 浓度为9.5502mg/m3，硫酸雾浓度为1.3541mg/m3；第四次试验的PM 浓度为8.8311mg/m3，硫酸雾浓度为1.3055mg/m3。

对照2 组第一次试验的PM 浓度为10.1334mg/m3，硫酸雾浓度为2.0313mg/m3；第二次试验的PM浓度为8.8147mg/m3，硫酸雾浓度为2.0052mg/m3；第三次试验的PM 浓度为9.7263mg/m3，硫酸雾浓度为2.0806mg/m3；第四次试验的PM 浓度为4.3450mg/m3，硫酸雾浓度为0.9135mg/m3。

对照3组第一次试验的PM浓度为8.0315mg/m3，硫酸雾浓度为1.1553mg/m3；第二次试验的PM 浓度为10.0318mg/m3，硫酸雾浓度为2.0051mg/m3；第三次试验的PM 浓度为9.1142mg/m3，硫酸雾浓度为2.0720mg/m3；第四次试验的PM 浓度为8.6840mg/m3，硫酸雾浓度为1.8611mg/m3。

基于对照组的结果，在传统电解实验中，颗粒物的排放浓度为9.21±0.56mg/m3，硫酸雾排放浓度为1.82±0.29mg/m3。

基于其他条件相同的情况下，本次研究同样将试验组分为了三组，每组进行四次试验。

试验1组第一次试验的PM浓度为7.2354mg/m3，硫酸雾浓度为1.3814mg/m3；第二次试验的PM 浓度为7.7402mg/m3，硫酸雾浓度为1.0441mg/m3；第三次试验的PM 浓度为7.2360mg/m3，硫酸雾浓度为1.5113mg/m3；第四次试验的PM 浓度为7.0486mg/m3，硫酸雾浓度为1.0547mg/m3。

试验2组第一次试验的PM浓度为3.8134mg/m3，硫酸雾浓度为0.7457mg/m3；第二次试验的PM 浓度为5.0118mg/m3，硫酸雾浓度为0.8101mg/m3；第三次试验的PM 浓度为4.5401mg/m3，硫酸雾浓度为0.8548mg/m3；第四次试验的PM 浓度为4.2353mg/m3，硫酸雾浓度为0.8408mg/m3。

试验3组第一次试验的PM浓度为3.6051mg/m3，硫酸雾浓度为0.6509mg/m3；第二次试验的PM 浓度为3.4720mg/m3，硫酸雾浓度为0.6606mg/m3；第三次试验的PM 浓度为3.1122mg/m3，硫酸雾浓度为0.6033mg/m3；第四次试验的PM 浓度为4.0137mg/m3，硫酸雾浓度为0.5372mg/m3。

基于试验组的结果，在进行超声技术优化后，锌电解过程中的颗粒物的排放浓度为5.07±1.61mg/m3，硫酸雾排放浓度为0.83±0.23mg/m3。

可以看出在采用超声技术前后，颗粒物排放浓度由9.21±0.56mg/m3变成了5.07±1.61mg/m3，下降幅度为45.5%；硫酸雾排放浓度由1.82±0.29mg/m3变成了0.83±0.23mg/m3，下降幅度为52.5%。

超声通过减少气体产生量减少颗粒物和硫酸雾的排放。颗粒物来自于气泡的爆破，气体量的增加会导致气泡数量或尺寸的增加。根据相关研究的计算数据：在恒电流电解中，气体产生量与气体生成反映的电流效率成正比。

根据实验的数据，传统电解试验的Mn 电流效率为1.29%，超声电解试验的Mn 电流效率为20.59，说明超声增强了Mn 在阳极的电化学反应。在传统电解中，阳极反应主要有析氧反应、Pb 的氧化反应以及Mn2+的氧化还原反应，其中析氧反应和Mn2+的氧化反应的电流效率分别为98.7%和1.29%左右（由于Pb 的氧化反应在电流效率中占比很小，在同其他阳极反应比较时可忽略不计），对于恒电流电解来说，Mn 电解反应的增强可能会使得析氧反应减弱，在本次试验中，析氧反应的电流效率从98.7%降至79.4%。由于电流密度相同，因此O2产生量减少了19.3%。另外，超声也会通过增强锌沉积而减少析氢反应的电流效率，进而减少H2 产生量，由此可以看出在本次试验中，超声的引入使得析氢反应的电流效率从61.8%降至39.3%，H2 的产生量减少22.5%。因此，反应中气体产生总量减少，使得酸雾以及颗粒物减少。

三、结语

在采用超声技术前后，颗粒物排放浓度由9.21±0.56mg/m3变成了5.07±1.61mg/m3，下降幅度为45.5%；硫酸雾排放浓度由1.82±0.29mg/m3变成了0.83±0.23mg/m3，下降幅度为52.5%。同时，超声增加了锌电解的电流效率且降低了能耗，是一种具有应用前景的酸雾抑制技术。