固相电解法回收废铅酸蓄电池中的铅膏研究

来源 :昆明理工大学 | 被引量 : 1次 | 上传用户:jimzhan
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近年来,随着铅矿资源储量不断下降,铅酸蓄电池报废量的增加,环境问题的严峻,对废铅酸电池的回收提出了很大的挑战。其中,废铅膏的处理工艺作为回收过程当中最重要一步也是最关键一步,其清洁可行性和经济可行性必是其发展重点。目前,火法回收废铅膏不可避免高温、铅尘问题,而湿法回收存在工艺复杂、使用大量化学试剂等问题。本文使用一种简便的零排放电化学直接电解策略,用于从废铅膏中结合脱硫技术回收金属铅,该工艺中废铅膏的脱硫和还原在阴极同时进行,具有工艺简单、流程短、试剂消耗少等特点。首先,通过阴极极化曲线、恒电位阶跃等电化学测试计算出了废铅膏主要成分硫酸铅固相电还原的动力学参数。然后,利用HSC Chemistry 6.0软件制作E-pH图从热力学上证明了硫酸盐体系下废铅膏固相电解还原的可能性。最后,采用单因素条件实验系统地研究了电解时间、工作温度、电流密度和电解质组成对电解的影响,通过XRD、XPS、化学滴定法测定了电解产物的物相组成,计算得到了电流效率和能量消耗等的变化。实验结果表明,在直接电解过程中,废铅膏可以通过脱硫和电化学还原行为很好地转化为金属铅。主要研究结果如下:(1)在40℃下200 g·L-1(NH42SO4溶液中硫酸铅电解还原过程遵循扩散控制下的三维瞬时成核与生长机理,交换电流密度为1.69×10-5 A cm-2,表观传递系数为0.1305,电流密度为200 A/m2时析铅过电位为0.733 V,在-1.3 V电势极电位下,表观活化能E为8.23 KJ/mol。同时,温度对硫酸铅还原有较大影响,温度越高,其过电位越低。(2)模拟硫酸铅在200 A m-2的电流密度40℃下200 g·L-1(NH42SO4溶液中的固相电解实验证明了硫酸铅固相电解还原的可行性,结果表明电解产物中铅元素质量含量占比为97.2%。即使在还原后期有析氢反应发生,电流效率仍可达到85.57%,对应的每吨硫酸铅固相电解能耗为609.6 kWh。(3)在热力学上,HSC Chemistry 6.0软件计算得到的E-pH图证明了废铅膏中主要成分PbSO4、PbO2、PbO在酸性和碱性的硫酸盐体系中都能够固相电还原为金属铅。(4)阴极极化曲线表明,二氧化铅通过俩步还原转化为金属铅。(5)废铅膏固相电解实验表明,废铅膏的固相电解还原沿栅板网格逐渐进行,温度越高越有利于降低电解的能耗,电流密度越大能耗越大。在最佳工艺参数(40℃下200 g L-1(NH42SO4溶液中200 A m-2)下,电解产物中的铅含量高达95.80%。即使在还原过程的后期发生析氢反应,但电流效率仍可保持87.63%,直接电解过程中相应的能耗为每吨铅膏597 kWh,金属铅的回收率高达99.46%。综上表明,固相电解法回收再生铅的经济可行性。该方法为一种可行的用于回收铅酸电池中废铅膏中的金属铅提供技术支持,具有简便的工艺流程和清洁的生产途径,对废弃物综合回收利用的循环经济做出贡献。
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