從電鍍鍍鋅污泥中回收鋅與鐵之可行性探討
郭益銘、劉雅婷、陳美如、周宜成、黃菀婷 中華醫事科技大學環境與安全衛生工程系 E-mail :forevers33@yahoo.com.tw摘 要
工業蓬勃的發展，導致金屬使用的需求量逐年上升，但金屬礦藏卻日漸減少，將具有高含量重金屬的廢 棄物掩埋丟棄，不但造成廢棄物體積的增加，相對的也會對環境造成污染；反之，將其中所含的金屬回收再 利用，以減低環境之衝擊與增加處理之經濟效益為一具前瞻性與優勢之處理策略。本研究以回收鍍鋅業所產 生之廢棄電鍍污泥中之重金屬成分為研究標的，又污泥中所含並非單一種類之金屬。因此，本研究選用酸液 浸漬法將污泥中的重金屬萃取溶出，並經固液分離後在液體中加入氫氧化鈉溶液調整 pH 值，使得不同重金屬 離子在鹼性的水溶液中分階段形成不溶性金屬氫氧化物，達到金屬初步純化與回收的目的。 研究結果顯示鍍鋅污泥中較具有回收經效益之主要重金屬成份以鋅之平均含量最高，鐵次之。數據顯示 當 pH 值越低且固液比越大時，能達到越佳之萃取效率。 關鍵字：酸萃、電鍍、鍍鋅污泥、重金屬、鋅1. 前 言
隨著工業蓬勃的發展，除了一般電子業、印刷電路板業等，電鍍業也隨之興起。而電鍍主要是利用電極 通過電流的原理產生電分解反應，在製品表面上附著一層金屬皮膜，目的為改變物體表面特性，增加物品的 防銹、耐磨耗、耐熱性及強度等。在許多電鍍的生產製程中常會使用到大量的水，而這些廢水中往往含有許 多重金屬，並隨著不同製程產生重金屬含量變動，然而含有重金屬成份的廢水則必須經由廢水處理，並達到 放流標準才能排放。廢水處理方法有化學沉澱、電解回收、逆滲透等方式，其中化學沉澱法設置成本低、操 作簡單因此最常被採用，但是此方法卻會產生大量的重金屬污泥 [1]。 就目前重金屬污泥資源化技術在物化處理部份，可分為兩類：第一類則是分離污泥中重金屬成份並回收 有價金屬，相關技術有高溫熔融、酸液(硫酸、氨)浸漬萃取等；第二類為將其固定化，固化處理相關技術有水 泥固化法、玻璃固化法等 [2]。而這些重金屬固化以後大多被棄置掩埋掉，不但無法被回收也造成廢棄物體積 增加，並且掩埋的污泥若遇到如酸雨的酸性環境中，可能隨時間的變化使重金屬再溶出而污染土地或地下水 造成環境生態的危害。 本研究使用酸液浸漬法將廢棄鍍鋅污泥中的金屬溶出，而重金屬離子在鹼性的水溶液中會形成不溶性金 屬氫氧化物 [3]，因此再藉由調整 pH 值使之沉澱，經過沉澱與過濾分離可達到金屬初步純化與回收的目的。2. 實驗方法與材料
2.1 實驗流程 本研究之鍍鋅污泥來自南部某電鍍工廠產生之廢棄鍍鋅污泥，將污泥取回實驗室後進行研究。酸萃取之 前處理步驟係將污泥破碎均勻後放入 105 ℃熱風循環烘箱中烘乾，並將乾燥完成的污泥研磨過 100 mesh 篩。 酸萃之操作條件為室溫下，固液比 10 g/100 ml，固定轉數 180 rpm，使用硫酸控制 pH 值在 2，取過篩後的污泥中成份主要以鋅最高其次是鐵，所以鋅為本實驗主要回收的金屬。湯曉帆等人研究指出，硫酸浸出液使用 氫氧化鈉或氨水調整至 pH 值為 4 時可使鐵離子形成氫氧化鐵沉澱去除，以增加氫氧化鋅之純度 [4]。故將金 屬液體加入氫氧化鈉溶液一邊攪拌一邊調整 pH 值 4，使液體中的鐵離子形成氫氧化鐵沉澱下來並且過濾回 收。再把剩下的金屬溶液同上步驟調整 pH 值 7 過濾回收氫氧化鋅。最後將剩餘的污泥以及回收的金屬氫氧化 物 進行微 波消 化處理 ，並 將萃取 液以 及消化 過濾 後的液 體以 火焰式 原子 吸收光 譜儀(Atomic Absorption Spectrophotometer, AA)測定重金屬濃度。實驗總流程圖如圖 1 所示。 2.2 萃取效率 使用硫酸作為浸漬液，並改變不同的操作因子，探討溶液於不同 pH 值及固液比等操作條件下，對於鍍鋅 污泥中重金屬之浸漬效果，並找出最佳萃取效率之條件。 2.3 實驗設備與儀器 (1)酸鹼度氧化還原溫度測定儀(pH 測量儀)：型號 SP-701，測試範圍 pH 0~14，解析度 pH 0.01，精確度 pH 0.01 ± 1 digit。 (2)熱風循環烘箱：DENG YNG，型號規格 D0-60。 (3)直流攪拌器。
(4)微波消化器(Microwave)：使用 CEM 微波消化系列儀，MARS/MARS-Xpress，使用功率 400W、壓力 800 psi-limit、操作溫度 200℃、操作時間 15 min。
(5)火焰式原子吸收光譜儀(Atomic Absorption Spectrophotometer, AA)：SENS AA。
2.4 實驗材料 (1)電鍍鍍鋅污泥：本實驗採用南部某電鍍工廠產生之廢棄鍍鋅污泥。 (2)濃硫酸。 (3)氫氧化鈉。 (4)重金屬標準液：火焰式原子吸收光譜儀所使用之標準液，原始標準液濃度為 1,000 ppm，以標準方法稀釋至 各項檢測金屬之檢量線範圍，檢測元素包含有鋅、鐵、鉻、錳及鋁等。 2.5 分析項目-重金屬總量消化 將鍍鋅污泥烘乾研磨後進行消化，參照環檢所公告 R353.00C 酸消化法 [5]，採用美國 CEM 公司所生產 之微波消化設備，使用功率 400W、壓力 800 psi-limit、操作溫度 200 ℃、操作時間 15 分鐘，消化後並以火焰 式原子吸收光譜(AA)分析各重金屬含量。
污泥前處理
pH=2萃取污泥
含金屬溶液
調整pH值4
剩餘的污
泥
氫氧化鐵
沉澱
剩餘的溶液
調整pH值7
氫氧化鋅
沉澱
剩餘的溶液
微波消化
原子吸收光譜儀(AA)
進行重金屬分析
數據整理
氫氧化鈉溶
液控制pH值
過濾
氫氧化鈉溶
液控制pH值
過濾
過濾
硫酸控制pH
值
取10ml
重金屬
分析
取10ml
重金屬
分析
取10ml
重金屬
分析
圖 1 實驗總流程圖3.1 原始污泥重金屬總量分析 在原始鍍鋅污泥中之重金屬成份主要以鋅之平均含量(202 g/kg)為最高，鐵之平均含量(39.8 g/kg)次之。除 鋅及鐵外，含量較高之金屬成份有鉻、錳、鋁，其平均含量分別為 2.58 g/kg、1.10 g/kg 及 1.05 g/kg) [6]。其 詳細結果如表 1 所示。 表 1 電鍍鍍鋅污泥之重金屬總量分析
金屬
含量(g/kg)
CdND
Pb 0.247
Zn 202
Ni 0.0440
Fe 39.8
Cu ND
Mn 1.10
Al 1.05
Cr 2.58
K 0.0710
Co 0.0800
Ca 0.448
Mg 0.105
ND: Non Detectable 3.2 污泥萃取流程 萃取流程圖如圖 2，以硫酸控制 pH=2 萃取 10 g 的污泥，經過萃取後約有 3.46 g 污泥剩餘，剩餘的污泥 中約有鋅 90.7 mg 及鐵 290 mg 殘留；萃取液中得鋅約含有 2,220 mg 及鐵 446 mg，對於鋅的萃取效率有 96% 鐵約有 60%，接著再將萃取液以氫氧化鈉溶液進行調值，控制 pH=4 時約有 1.05 g 的沉澱物產生，其約含有 鋅 38.4 mg 及鐵 99.6 mg，鋅的沉澱率約 3%，鐵約 91%；再將液體調值至 pH=7，約有 2.34 g 的沉澱物沉澱， 其約含有鋅 1,130 mg 及鐵 7.36 mg，其鋅的沉澱率約 80%與鐵 7%，而這些沉澱物的成份大多是氫氧化鋅及氫 氧化鐵；最後剩餘的的液體裡約還有 641 mg 的鋅及 0.470 mg 的鐵殘留在液體中。經實驗結果顯示，最後得 鋅的總回收率約 50%，因鐵的萃取效果不佳，其殘留在污泥裡的鐵還剩很多，最後得鐵的回收率只有 15%。 部分污泥可能因含有機質被溶解掉所以在重量上會有些許誤差，而分析時也可能因取樣不均勻造成實驗上的 誤差。圖 2 萃取流程圖 3.3 不同條件萃取效率比較 (1)不同 pH 值對於鋅及鐵萃取效率比較 在同樣條件：室溫、固液比 10 g/100 ml，固定轉數 180 rpm、硫酸萃取 1 小時下，比較不同的 pH 值下對 於鋅及鐵的萃取效率，如圖 3。結果顯示當 pH=1 時可以發現鋅的萃取率可達約 99%，鐵的萃取率約 91%；當 pH 值為 2 時，鋅的萃取率為 96%沒明顯的差異，相對鐵的萃取率卻已下降至 50%以下。 圖 3 不同 pH 值之鋅及鐵的萃取效率
10g污泥
約有鋅2,370mg、
鐵736mg
萃取液
約有鋅2,220mg、
鐵446mg
液體
約有鋅1,380mg、
鐵9.33mg
剩餘的液體
約有鋅641mg、
鐵0.47mg
剩餘污泥3.46g
約有鋅90.7mg、
鐵290mg
1.05g沉澱物
約有鋅38.4mg、
鐵99.6mg
2.34g沉澱物
約有鋅1,130mg、
鐵7.36mg
硫酸萃取
調值pH4
調值pH7
在相同室溫、固定轉速 180 rpm、pH 值固定為 2，並經 1 小時硫酸萃取下，以不同的固液比值(10 g/30 ml、 50 ml、100 ml、150 ml、200 ml)進行萃取，由圖 4 可以發現鋅在固液比值為 20 時可達到 98%的最佳萃取效率， 而鐵的萃取效率在固液比值為 5 時為最佳約有 63%，其餘比值萃取效率皆在 60%以下。 圖 4 不同固液比之鋅及鐵的萃取效率
