基于超聲技術的鋅電解顆粒物減排中試研究

覃岳彬

（南方有色金屬集團有限公司，廣西 河池 547299）

濕法煉鋅技術因其高回收率、低能耗等優勢，在鋅冶煉行業中占據著主要地位。但是隨著人們對環保問題越來越重視，濕法煉鋅技術因其顆粒物污染而備受詬病。在濕法煉鋅的電解工段，電解液中的氧氣會攜帶硫酸液滴從表面破出，這些酸霧除了對設備有著強烈的腐蝕性外，對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對鋅電解過程中產生的酸霧進行抑制，希望能為超聲技術在濕法煉鋅中的應用提供參考。

一、材料與方法

（一）超聲電解實驗

本次超聲電解實驗在中試規模的電解設備上進行，采用尺寸為1.30m×0.90m×0.30m 尺寸的聚丙烯電解槽；實驗中涉及的電極與相關企業電解設備尺寸相同，極距為60.0mm，包括兩個950mm×620mm 的陽極和一個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℃，同時依照實際生產中Zn2+的消耗速率不斷補充Zn2+。依照試驗的實際需求，將上述設備分為兩組，一組為對照組，一組為試驗組，實驗組設備另添加由六組超聲振板和超聲控制器組成的超聲系統（總功率為16.0KW，單位體積功率為0.7W/mL），和相應的冷凝系統，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、風機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，每次平行實驗采集4 個平行樣，每個平行樣采集15min。采樣前后，將濾膜置于干燥皿中穩定48h，利用萬分之一電子天平對濾膜稱重并記錄，計算其差值得到顆粒物樣品的質量，結合采樣時間和采樣流量等信息計算得到顆粒物的質量濃度。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 計對水中的H+進行檢測，即可得到通過濾膜采集的顆粒物中的硫酸霧濃度。

二、結果與討論

基于上述超聲電解實驗的設備和技術，本次研究將對照組分為了3 組，每組進行四次試驗。對照1 組第一次試驗的PM 濃度為8.6213mg/m3，硫酸霧濃度為1.0406mg/m3；第二次試驗的PM 濃度為6.0206mg/m3，硫酸霧濃度為1.1028mg/m3；第三次試驗的PM 濃度為9.5502mg/m3，硫酸霧濃度為1.3541mg/m3；第四次試驗的PM 濃度為8.8311mg/m3，硫酸霧濃度為1.3055mg/m3。

對照2 組第一次試驗的PM 濃度為10.1334mg/m3，硫酸霧濃度為2.0313mg/m3；第二次試驗的PM濃度為8.8147mg/m3，硫酸霧濃度為2.0052mg/m3；第三次試驗的PM 濃度為9.7263mg/m3，硫酸霧濃度為2.0806mg/m3；第四次試驗的PM 濃度為4.3450mg/m3，硫酸霧濃度為0.9135mg/m3。

對照3組第一次試驗的PM濃度為8.0315mg/m3，硫酸霧濃度為1.1553mg/m3；第二次試驗的PM 濃度為10.0318mg/m3，硫酸霧濃度為2.0051mg/m3；第三次試驗的PM 濃度為9.1142mg/m3，硫酸霧濃度為2.0720mg/m3；第四次試驗的PM 濃度為8.6840mg/m3，硫酸霧濃度為1.8611mg/m3。

基于對照組的結果，在傳統電解實驗中，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組分為了三組，每組進行四次試驗。

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

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

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

基于試驗組的結果，在進行超聲技術優化后，鋅電解過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%。

超聲通過減少氣體產生量減少顆粒物和硫酸霧的排放。顆粒物來自于氣泡的爆破，氣體量的增加會導致氣泡數量或尺寸的增加。根據相關研究的計算數據：在恒電流電解中，氣體產生量與氣體生成反映的電流效率成正比。

根據實驗的數據，傳統電解試驗的Mn 電流效率為1.29%，超聲電解試驗的Mn 電流效率為20.59，說明超聲增強了Mn 在陽極的電化學反應。在傳統電解中，陽極反應主要有析氧反應、Pb 的氧化反應以及Mn2+的氧化還原反應，其中析氧反應和Mn2+的氧化反應的電流效率分別為98.7%和1.29%左右（由于Pb 的氧化反應在電流效率中占比很小，在同其他陽極反應比較時可忽略不計），對于恒電流電解來說，Mn 電解反應的增強可能會使得析氧反應減弱，在本次試驗中，析氧反應的電流效率從98.7%降至79.4%。由于電流密度相同，因此O2產生量減少了19.3%。另外，超聲也會通過增強鋅沉積而減少析氫反應的電流效率，進而減少H2 產生量，由此可以看出在本次試驗中，超聲的引入使得析氫反應的電流效率從61.8%降至39.3%，H2 的產生量減少22.5%。因此，反應中氣體產生總量減少，使得酸霧以及顆粒物減少。

三、結語

在采用超聲技術前后，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，超聲增加了鋅電解的電流效率且降低了能耗，是一種具有應用前景的酸霧抑制技術。