从工业固体废物中生产一水硫酸锌过程中铊的物质流动与排放控制

《Process Safety and Environmental Protection》：Substance flow and emission mitigation of thallium in zinc sulfate monohydrate production from industrial solid wastes

中国钢铁及非ferrous金属冶炼产生大量含铊二次锌材料（SZCM），研究其在火-水联合冶金制备硫酸锌一水合物（ZSM）过程中铊迁移规律。通过物质流分析（SFA）揭示铊在二次锌氧化（以Tl?O、TlCl等形式富集）及后续湿法冶金（迁移至污泥、残渣，存在形式为Tl?S、单质铊或吸附/包裹态）中的行为特征，发现最终产品ZSM含铊1.77mg/kg，主要排放源为含铊污泥。源头控制和末端治理可使铊排放降低55.77%。

　　在工业生产过程中，重金属污染一直是生态环境保护面临的重要挑战之一。其中，铊（Tl）作为一种高度毒性和生物累积性的重金属，其在环境中的迁移和排放对生态系统和人类健康构成了潜在威胁。在中国，钢铁和有色金属冶炼过程中会产生大量含锌二次材料（Secondary Zinc-Containing Materials, SZCM），这些材料通常富含有毒的铊元素。因此，深入研究这些材料在生产过程中的铊迁移规律及排放特征，对于实现资源的高效利用和环境污染的有效控制具有重要意义。

本研究聚焦于通过火法-湿法冶金联合处理技术生产硫酸锌一水合物（Zinc Sulfate Monohydrate, ZSM）过程中铊的迁移与排放行为。火法-湿法冶金联合技术是一种广泛应用的资源回收方法，它结合了火法冶金的高回收效率和湿法冶金的环境友好性。通过物质流分析（Substance Flow Analysis, SFA）建立了一个完整的铊物质流网络，系统地分析了输入、输出、排放特征以及铊的减少潜力。研究结果表明，在火法冶金过程中，铊主要富集在二次氧化锌中，以Tl?O、TlCl、Tl?O?和Tl?CO?等形态存在。随后，在湿法冶金过程中，这些含铊物质会迁移到污泥和残渣中，主要以Tl?S、单质铊、吸附形式或包裹形式存在。最终产品硫酸锌一水合物中，铊的含量约为1.77 mg/kg，推测其可能以Tl?SO?或Tl?O的形式存在。

研究还指出，工厂中的主要铊来源包括回收材料、铁锰渣、高炉粉尘和烧结机头灰，而含铊污泥则是最主要的铊输出形式。在每吨粗锌（CS）的生产过程中，铊的输入、输出和排放量分别为69.880 g、67.085 g和42.371 g。通过对这些数据的分析，研究发现源头控制和末端治理相结合的策略可以将铊排放减少高达55.77%。这表明，针对工业生产过程中铊的流动进行系统性的管理和控制，是实现有效污染防控的关键。

研究团队在本项目中采用了物质流分析方法，这是一种对特定系统内材料流动和储存情况进行系统评估的技术。相较于全球、区域或地方层面的物质流分析，将该方法应用于企业的具体生产过程，能够更精准地揭示材料在生产环节中的流动路径和转化形式。在硫酸锌一水合物的生产过程中，物质流分析不仅有助于理解铊的迁移规律，还能为制定有效的污染控制策略提供科学依据。

此外，研究还关注了火法冶金过程中铊的流动机制。在钢铁、铅和锌的冶炼过程中，大量低品位的二次锌资源被生成，其中包括电弧炉粉尘、回转窑粉尘、转炉粉尘、高炉粉尘、高炉污泥、烧结机头灰以及锌浸出残渣等。根据这些二次锌资源的形成特性，大部分铊以Tl?O的形式存在。在火法冶金过程中，由于高温环境的存在，这些含铊物质会进一步富集，并可能以其他化合物的形式迁移。例如，在高温还原条件下，部分铊可能以氯化物或氧化物的形式存在于产物中，而剩余的铊则可能通过后续的湿法冶金步骤迁移至污泥和残渣中。

在湿法冶金过程中，锌的提取通常通过浸出、净化、结晶等步骤完成。这一过程中，含铊污泥成为主要的铊输出形式，而其中的铊可能以多种形态存在，如硫化物、单质铊、吸附态或包裹态。研究团队通过物质流分析明确了这些不同形态的铊在生产过程中的分布规律，并评估了其在不同阶段的迁移趋势。这种对铊流动的系统性研究不仅有助于识别主要的污染源，还能够为制定针对性的污染控制措施提供支持。

研究还指出，当前关于含锌二次材料在火法-湿法冶金联合处理过程中铊物质流及排放减少的研究仍较为有限。因此，本研究通过深入分析，填补了这一领域的空白。研究团队认为，针对含锌二次材料的资源回收过程，应加强对铊迁移路径的了解，并采取有效的控制措施。例如，优化火法冶金的还原条件，减少铊在氧化锌中的富集；在湿法冶金过程中，采用高效的吸附或沉淀技术，将铊从溶液中去除；以及对含铊污泥进行进一步处理，以实现铊的资源化利用。

通过对这些策略的实施，不仅可以显著降低铊的排放量，还能提高资源回收的效率，实现经济效益与环境效益的双赢。研究团队还强调，源头控制和末端治理相结合的方式，在减少铊排放方面具有更大的潜力。例如，在原料选择和预处理阶段，可以通过筛选和净化手段降低初始材料中的铊含量；在生产过程中，通过优化工艺参数，减少铊的挥发和迁移；而在废弃物处理阶段，可以采用物理、化学或生物方法对含铊污泥进行处理，使其不再成为环境污染的源头。

本研究的结果对于推动含锌二次材料的资源化利用具有重要的指导意义。通过对铊流动的系统性分析，可以更清晰地识别其在生产过程中的关键节点，并据此制定有效的污染控制策略。同时，研究还表明，采用综合性的污染防控措施，如改进生产工艺、加强废弃物管理、推动绿色技术的应用等，能够显著降低铊的环境风险，提高工业生产的可持续性。

此外，研究团队还对当前相关领域的研究进展进行了综述。近年来，许多学者围绕含铊废水的处理、含铊土壤的修复以及含铊污泥的资源回收等方面开展了大量研究，取得了一定的成果。然而，对于含锌二次材料在工业生产过程中的铊物质流及其排放控制的研究仍较为有限。因此，本研究不仅填补了这一领域的空白，还为未来的相关研究提供了理论支持和实践参考。

研究的现实意义在于，它为工业界提供了一种科学的方法来评估和管理铊污染问题。通过物质流分析，企业可以更准确地掌握铊在生产过程中的流动情况，从而制定更为合理的污染控制措施。例如，企业可以通过调整原料配比、优化工艺流程、改进废弃物处理技术等手段，有效降低铊的排放。此外，研究还强调了政策制定的重要性，建议政府和行业监管机构加强对含锌二次材料资源化利用的政策支持，推动企业采用更加环保和高效的生产方式。

总之，本研究通过对含锌二次材料在火法-湿法冶金联合处理过程中铊迁移与排放行为的深入分析，揭示了铊在工业生产中的流动规律，并提出了有效的污染控制策略。这些发现不仅有助于提高工业生产的环境友好性，还为实现资源的高效利用和可持续发展提供了科学依据。未来的研究可以进一步探讨不同生产工艺对铊迁移和排放的影响，以及如何通过技术创新和管理优化，实现更高效的污染防控。