機械活化強化硫酸鋅溶液中鋅粉凈化除鎘

摘要：鋅粉單耗高和凈化除鎘渣中鎘含量低是硫酸鋅溶液鋅粉置換除鎘存在的共性難題，其核心原因是鋅粉被產物層包裹降低其反應活性。基于此提出了機械活化強化硫酸鋅溶液兩級鋅粉逆流置換除鎘新方法，一級添加較低系數的鋅粉產出高鎘品位的凈化渣，二級添加較高系數的鋅粉，以控制硫酸鋅溶液中鎘達到溶液凈化質量要求。研究結果表明，在總鋅粉添加系數為1.02、反應溫度60 ℃、反應時間60 min 的條件下，當一級鋅粉添加系數為0.9，二級鋅粉添加系數為1.2 時，一級凈化后液中鎘質量濃度由反應前的1 530 mg/L 降低至60～70 mg/L，一級凈化產出的鎘渣中鎘含量富集至81.54%，鋅含量小于10%；二級凈化后液中鎘質量濃度降低至2～5 mg/L，凈化渣中的鎘含量為16.09%，鋅含量為56.04%。一級凈化渣主要物相為單質鎘，二級凈化渣的主要物相是未反應的鋅和部分單質鎘。與傳統一次凈化工藝相比，通過流體的剪應力和機械活化作用，破壞了鋅粉表面的包裹層，消除了鋅粉表面的包裹現象，提高了鋅粉利用效率，降低了鋅粉消耗，提高了凈化渣中的鎘含量。

關鍵詞：硫酸鋅溶液；鋅粉置換除鎘；兩級凈化；流體剪應力；機械活化

中圖分類號：TF819.2 文獻標志碼：A 文章編號：1000-582X（2025）02-110-13

鎘是對濕法煉鋅電積工序有害的雜質元素之一，也是鋅精礦常見的伴生有價金屬。傳統工藝從硫酸鋅溶液中凈化除鎘需要添加理論倍數1～3 倍的過量鋅粉，且凈化渣中鎘含量低，殘留鋅含量高，不利于伴生鎘的富集提純[1?3]。因此，在硫酸鋅溶液凈化過程中如何實現低鋅粉耗量的凈化、并獲得鎘含量高的鎘渣，為鎘的資源化利用提供基礎條件，對濕法煉鋅過程降低鎘回收成本及鋅粉單耗，提高工藝經濟性有重要的意義[4]。

目前，硫酸鋅溶液凈化除鎘的方法可分為鋅粉置換法[5?6]、鋅浮渣除鎘法[7?8]、錳粉凈化法[9]、萃取法[10?13]等。鋅粉置換除鎘是應用最為廣泛的方法，但是鋅粉置換過程未反應鋅粉顆粒被凈化產物層包裹、凈化鎘渣中鎘含量低導致鎘回收工序長是該方法普遍存在的主要問題[14]；鋅浮渣除鎘法具有充分利用鋅浮渣中殘留金屬鋅、降低凈化過程鋅粉耗量的優勢，也存在鋅浮渣中粗粒鋅粉含量多導致凈化渣中鋅含量高、凈化添加過程揚塵大導致作業環境差的不足[15?20]等問題；錳粉凈化法需要添加單質錳粉，增加凈化成本[21?22]；萃取法中，萃取劑多為有機物，萃取劑成本高，水相中殘留有機物難以除去，影響鋅電積效率[23]。

圍繞傳統凈化過程產出的低品位鎘渣的資源化利用，眾多學者開展了大量研究。湯順賢等[24]采用“漿化?酸浸?鋅粉置換?酸洗?水洗”工藝對銅鎘渣中的鎘進行回收，在置換溫度50 ℃、鋅粉用量為理論用量的1.2 倍、攪拌速率80 r/min、置換時間20 min、澄清時間40 min 的條件下得到品位達到78.7% 的海綿鎘；何良惠等[25]在“銅鎘渣?粉碎?浸出?過濾?鋅粉置換?壓濾”工藝下，溶液的pH 值為4，溫度50 ℃，鋅粉用量為理論量的1.22 倍，反應時間1 h 的條件下得到69.6% 的海綿鎘；汪勝東等[26]為了降低鋅粉消耗，提出“浸出?置換?壓餅?溢流漿料造液?二次置換?壓餅”的工藝，對含鋅30%～50%、含銅1.5%～5%、含鎘5%～10%的銅鎘渣在置換溫度55 ℃、置換時間1 h、溶液酸化pH＝2.5～3.0 的條件下，產出含鎘70%的海綿鎘。

綜上所述，目前硫酸鋅溶液凈化除鎘及鎘回收工藝流程較為冗長，沒有實現降低鋅粉耗量與提高海綿鎘品位的雙重目的。基于此，本研究擬提出機械活化強化兩級鋅粉逆流凈化除鎘的思路，在控制硫酸鋅溶液中鎘殘留質量濃度達到硫酸鋅溶液質量要求的同時，機械活化破壞鋅粉表面的包裹層，提高金屬鋅粉的利用效率，降低鋅粉消耗，實現凈化渣中鎘的富集，直接獲得高品位鎘渣。

機械活化強化鋅粉凈化除鎘是一種新的技術方法，通過機械活化強化手段，提高了鋅粉的凈化除鎘效率和鎘渣品位。機械活化強化技術能夠改變鋅粉表面的物理化學性質，增大鋅粉的比表面積，提高其與鎘離子的吸附和反應能力。這種技術創新使得機械活化強化技術具有更強的針對性，為未來的提高鎘渣含量研究提供了新的思路和方法。機械活化強化技術具有操作簡便、成本低廉、效果好等優點，能夠大大提高鋅粉的凈化除鎘效率，降低處理成本[27]。

筆者第一次在濕法煉鋅除鎘方面引入機械活化的概念，探究在一級反應中不同鋅粉系數對除鎘效果的影響，以及在二級反應中，對不同鎘質量濃度的溶液加入過量鋅粉時，對鎘質量濃度的影響；對二級渣機械活化，進行返渣實驗，返渣量不同，除鎘效果也不同；針對實驗結果，二級反應加入機械活化進行連續實驗，實驗結束后，用火焰原子吸收儀或ICP-MS 法測定液樣中的雜質離子濃度，分別采用XRD 和掃描電鏡表征凈化渣。