硫化法處理含重金屬硫酸鈷溶液實驗的研究

王隆肇 石小東 鄒元輝 鄒海霞 曹艷(福建常青新能源科技有限公司，福建 龍巖 364300)

0 引言

目前，隨著新能源汽車行業的飛速發展，帶動了硫酸鈷用量的不斷增加；為了降低成本，前驅體制備廠家開始使用鈷中間品酸溶成硫酸鈷溶液，再除雜使用。但是因為鈷中間品品質的原因，制備出的硫酸鈷溶液含有重金屬鎘，若直接排放會對環境造成嚴重污染。本文研究含重金屬鎘硫酸鈷溶液硫化除鎘回收和處理工藝的可行性，確定重金屬鎘回收和處理工藝條件。

1 材料與方法

1.1 實驗試劑、材料和儀器

硫化鈉(Na2S·9H2O)、硫酸、無水碳酸鈉(Na2CO3)、硫酸鈷溶液；所述試劑都屬于工業級。

雷磁PHS-3C 型pH 計(上海儀電科學儀器股份有限公司)；普析TAS-990 型原子吸收分光光度計。

1.2 實驗原理

在特定條件的硫酸鈷溶液中滴加硫化鈉溶液，使得鎘金屬和S2-形成硫化物沉淀，再經過濾將硫化物去除[1、5]。

1.3 實驗方法

實驗用的硫酸鈷溶液每份取200mL，使用硫酸和無水碳酸鈉將pH 調整到設定的數值，使用蠕動泵滴加不同比例的Na2S溶液，設定溫度下勻速攪拌，靜置不同時間后過濾，測試濾液中Cd2+的質量濃度，計算其去除效率。硫酸鈷溶液和濾液中的Cd2+質量濃度使用原子吸收分光光度計測試。

2 結果與討論

2.1 硫化鈉溶液單獨去除硫酸鈷溶液鎘金屬的實驗

2.1.1 不同的反應溫度對除鎘效率的影響

取3 份200mL 硫酸鈷溶液，用硫酸和碳酸鈉溶液調整pH為4.0，總反應時間30min，反應溫度分別為25℃、40℃和65℃。反應結束后取硫酸鈷溶液的濾液進行Cd2+質量濃度測試，根據結果計算去除率。

根據實驗結果可知：當反應溫度為40℃時，鎘的去除率達到最高為52.41%，硫酸鈷溶液中鎘的質量濃度從12.99mg/L 降低為5.95mg/L；溫度過高和過低對鎘的去除都會有很大的影響。這是因為，此次實驗為開放式的實驗，硫化鈉溶液從上部滴加到反應體系中，在酸性體系中加入Na2S, S2-優先與H+進行反應生成H2S 氣體，氣體再與溶液中的Cd2+反應產生CdS 沉淀；溫度太低影響體系中離子的反應活性；溫度較高造成H2S 氣體揮發逸出嚴重，從而造成除鎘效率偏低。此次實驗結果分析，初步確定體系反應溫度為40℃[4]。

2.1.2 溶液初始pH值對除鎘效率的影響

取4 份200 mL 硫酸鈷溶液，用硫酸和碳酸鈉溶液調整pH分別為3.10、4.11、5.17 和6.05，總反應時間30min，反應溫度為40℃。反應結束后取硫酸鈷溶液的濾液進行Cd2+質量濃度測試，根據結果計算去除率。

根據實驗結果可知：pH 在4.0～5.0 時，除鎘效果最好。PH偏高和偏低都會影響除鎘效果。其中pH=3 的效果又比pH=6 的更好，這和CdS 生成條件和性質有關；這是因為CdS 在pH=3.5生成，pH 太高會影響CdS 的生成[3]。將體系pH 控制為4.5。

2.1.3 不同的S和Cd摩爾比對除鎘效率的影響

取四份200 mL 硫酸鈷溶液，溶液中鎘金屬質量濃度原始值為11.69 mg/L，控制S 元素和Cd 元素摩爾比分別為：5:1，7:1，10:1，15:1，反應時間20min，反應結束后溶液過濾，測試Cd2+的質量濃度，結果如圖1 所示。

圖1 不同的S和Cd摩爾比對除鎘的影響

由圖1 分析可知，在pH=4.5 的反應體系中，當S 元素和Cd元素摩爾比為10:1 時，溶液中重金屬鎘的去除率最好。因此將此體系除鎘的S 元素和Cd 元素摩爾比設計為10:1。

2.1.4 反應時間對除鎘效率的影響

取4 份200 mL 硫酸鈷溶液，用硫酸和碳酸鈉溶液調整pH分別為4.5，總反應時間分別為20、25、30、40min，反應溫度為40℃。反應結束后取硫酸鈷溶液的濾液進行Cd2+質量濃度測試，根據結果計算去除率，實驗結果如圖2 所示。

圖2 反應時間對除鎘效率的影響

從圖2 分析，總反應時間為20min 時，除鎘效果最好，去除率達到了86.63%；但隨著反應時間的增加，溶液中鎘元素含量越來越高，并且趨于一個穩定值。這是因為CdS 會返溶于酸[2]，隨著反應時間的加長，返溶的越多，并且CdS 生成和溶解達到一個平衡點。因此將此pH 體系的除鎘時間控制位20min。

2.1.5 硫化鎘返溶的初步研究

為了進一步研究CdS 的返溶問題，將2.1.2 中pH 除鎘后的溶液部分進行過濾測試鎘的質量濃度，剩余含CdS 沉淀溶液靜置12h 后過濾測試鎘的質量濃度。測試結果如表1 所示。

分析表1 數據可知，不同pH 體系下金屬鎘返溶的程度不一樣，當體系pH 越低返溶現象越嚴重。原因在2.1.4 中有進行闡述。因此，只有硫化鈉單獨進行除鎘的話，應該考慮靜置時間對除鎘效率的影響。

表1 不同pH下鎘金屬的返溶情況匯總表

3 結語

(1)單獨使用硫化鈉去除硫酸鈷溶液的重金屬鎘時，控制反應體系的初始pH 值為4.5，投入的S 和Cd 摩爾比為10：1，反應時間為20 min 時，溶液中鎘的去除率達到86.63%。

(2)此次實驗采用開放式滴加硫化鈉溶液除鎘的方法，為硫酸鈷溶液除鎘的工藝和參數設計提供了初步依據。