硫化法處理含重金屬硫酸鈷溶液實(shí)驗(yàn)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(yè)的飛速發(fā)展，帶動(dòng)了硫酸鈷用量的不斷增加；為了降低成本，前驅(qū)體制備廠家開(kāi)始使用鈷中間品酸溶成硫酸鈷溶液，再除雜使用。但是因?yàn)殁捴虚g品品質(zhì)的原因，制備出的硫酸鈷溶液含有重金屬鎘，若直接排放會(huì)對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)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(shí)驗(yàn)試劑、材料和儀器

硫化鈉(Na2S·9H2O)、硫酸、無(wú)水碳酸鈉(Na2CO3)、硫酸鈷溶液；所述試劑都屬于工業(yè)級(jí)。

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

1.2 實(shí)驗(yàn)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(jīng)過(guò)濾將硫化物去除[1、5]。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)用的硫酸鈷溶液每份取200mL，使用硫酸和無(wú)水碳酸鈉將pH 調(diào)整到設(shè)定的數(shù)值，使用蠕動(dòng)泵滴加不同比例的Na2S溶液，設(shè)定溫度下勻速攪拌，靜置不同時(shí)間后過(guò)濾，測(cè)試濾液中Cd2+的質(zhì)量濃度，計(jì)算其去除效率。硫酸鈷溶液和濾液中的Cd2+質(zhì)量濃度使用原子吸收分光光度計(jì)測(cè)試。

2 結(jié)果與討論

2.1 硫化鈉溶液?jiǎn)为?dú)去除硫酸鈷溶液鎘金屬的實(shí)驗(yàn)

2.1.1 不同的反應(yīng)溫度對(duì)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(diào)整pH為4.0，總反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)溫度分別為25℃、40℃和65℃。反應(yīng)結(jié)束后取硫酸鈷溶液的濾液進(jìn)行Cd2+質(zhì)量濃度測(cè)試，根據(jù)結(jié)果計(jì)算去除率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：當(dāng)反應(yīng)溫度為40℃時(shí)，鎘的去除率達(dá)到最高為52.41%，硫酸鈷溶液中鎘的質(zhì)量濃度從12.99mg/L 降低為5.95mg/L；溫度過(guò)高和過(guò)低對(duì)鎘的去除都會(huì)有很大的影響。這是因?yàn)椋舜螌?shí)驗(yàn)為開(kāi)放式的實(shí)驗(yàn)，硫化鈉溶液從上部滴加到反應(yīng)體系中，在酸性體系中加入Na2S, S2-優(yōu)先與H+進(jìn)行反應(yīng)生成H2S 氣體，氣體再與溶液中的Cd2+反應(yīng)產(chǎn)生CdS 沉淀；溫度太低影響體系中離子的反應(yīng)活性；溫度較高造成H2S 氣體揮發(fā)逸出嚴(yán)重，從而造成除鎘效率偏低。此次實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，初步確定體系反應(yīng)溫度為40℃[4]。

2.1.2 溶液初始pH值對(duì)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(diào)整pH分別為3.10、4.11、5.17 和6.05，總反應(yīng)時(shí)間30min，反應(yīng)溫度為40℃。反應(yīng)結(jié)束后取硫酸鈷溶液的濾液進(jìn)行Cd2+質(zhì)量濃度測(cè)試，根據(jù)結(jié)果計(jì)算去除率。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知：pH 在4.0～5.0 時(shí)，除鎘效果最好。PH偏高和偏低都會(huì)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(zhì)有關(guān)；這是因?yàn)镃dS 在pH=3.5生成，pH 太高會(huì)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(duì)除鎘效率的影響

取四份200 mL 硫酸鈷溶液，溶液中鎘金屬質(zhì)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(yīng)時(shí)間20min，反應(yīng)結(jié)束后溶液過(guò)濾，測(cè)試Cd2+的質(zhì)量濃度，結(jié)果如圖1 所示。

圖1 不同的S和Cd摩爾比對(duì)除鎘的影響

由圖1 分析可知，在pH=4.5 的反應(yīng)體系中，當(dāng)S 元素和Cd元素摩爾比為10:1 時(shí)，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(shè)計(jì)為10:1。

2.1.4 反應(yīng)時(shí)間對(duì)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(diào)整pH分別為4.5，總反應(yīng)時(shí)間分別為20、25、30、40min，反應(yīng)溫度為40℃。反應(yīng)結(jié)束后取硫酸鈷溶液的濾液進(jìn)行Cd2+質(zhì)量濃度測(cè)試，根據(jù)結(jié)果計(jì)算去除率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2 所示。

圖2 反應(yīng)時(shí)間對(duì)除鎘效率的影響

從圖2 分析，總反應(yīng)時(shí)間為20min 時(shí)，除鎘效果最好，去除率達(dá)到了86.63%；但隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，溶液中鎘元素含量越來(lái)越高，并且趨于一個(gè)穩(wěn)定值。這是因?yàn)镃dS 會(huì)返溶于酸[2]，隨著反應(yīng)時(shí)間的加長(zhǎng)，返溶的越多，并且CdS 生成和溶解達(dá)到一個(gè)平衡點(diǎn)。因此將此pH 體系的除鎘時(shí)間控制位20min。

2.1.5 硫化鎘返溶的初步研究

為了進(jìn)一步研究CdS 的返溶問(wèn)題，將2.1.2 中pH 除鎘后的溶液部分進(jìn)行過(guò)濾測(cè)試鎘的質(zhì)量濃度，剩余含CdS 沉淀溶液靜置12h 后過(guò)濾測(cè)試鎘的質(zhì)量濃度。測(cè)試結(jié)果如表1 所示。

分析表1 數(shù)據(jù)可知，不同pH 體系下金屬鎘返溶的程度不一樣，當(dāng)體系pH 越低返溶現(xiàn)象越嚴(yán)重。原因在2.1.4 中有進(jìn)行闡述。因此，只有硫化鈉單獨(dú)進(jìn)行除鎘的話，應(yīng)該考慮靜置時(shí)間對(duì)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(jié)語(yǔ)

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

(2)此次實(shí)驗(yàn)采用開(kāi)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(shù)設(shè)計(jì)提供了初步依據(jù)。