超声波诱导海绵镉成核中的界面动力学调控与电化学优化研究

为解决传统置换法回收铜镉渣浸出液中镉时锌粉利用率低、海绵镉纯度差及生产周期长等问题，昆明理工大学冶金与能源工程学院团队创新性提出超声波强化锌粉置换工艺。研究通过动力学实验、电化学测试及微观表征证实，超声波可解聚锌粉团聚体并剥离产物层，使镉置换效率提升24.56%，海绵镉品位提高23.11%，表观活化能降低21.34 kJ/mol，还原电位正移0.299 V。该研究为重金属资源回收提供了绿色高效的新策略。

　　

镉作为光伏薄膜、电池和合金生产的关键材料，其战略价值与经济价值日益凸显。然而国际癌症研究机构（IARC）早在2012年就将镉列为人类致癌物，这使得从铜镉渣中高效回收镉兼具资源循环与环境保护双重意义。当前工业界主流的锌粉置换法虽成本低廉，却饱受锌粉团聚、产物层包裹等问题的困扰，导致锌粉利用率不足70%、海绵镉纯度仅60%左右，严重制约了工艺效率。

针对这一行业痛点，昆明理工大学冶金与能源工程学院的研究团队在《Ultrasonics Sonochemistry》发表创新成果，首次将20 kHz超声波引入镉回收过程。通过系统研究pH（1-5）、温度（298-338 K）、锌镉摩尔比（1-2.1）等参数，结合激光粒度分析、SEM-EDS和XPS表征，发现超声波产生的空化效应（瞬时温度>5000 K、压力5×10⁷ Pa）能有效解聚锌粉团聚体，微射流（速度>100 m/s）可剥离表面产物层。电化学测试显示，超声波使还原电位从-2.731 V正移至-2.432 V（vs. SCE），电流密度提升36.3%，显著降低反应能垒。

研究采用的关键技术包括：1）ICP-OES监测离子浓度变化；2）XRD和SEM分析产物晶体结构与形貌；3）激光粒度仪测定锌粉与海绵镉粒径分布；4）电化学工作站（CHI760e）进行开路电位（OCP）、循环伏安（CV）和Tafel测试；5）基于工业浸出液成分设计含Cu、Co的复杂模拟溶液实验。

3.1 pH对置换效率的影响

在pH=3时超声波组镉置换效率达97.21%，较常规组（66.17%）显著提升。Eh-pH图分析表明，超声波在弱酸性环境下可抑制碱性硫酸锌的生成。

3.6 置换反应动力学分析

表观活化能从常规组的46.81 kJ/mol降至25.46 kJ/mol，控制机制由化学反应主导转为混合控制。第一动力学模型拟合优度R²>0.983，证实超声波通过缩短扩散路径（粒径从300-700 μm降至2-30 μm）和更新反应界面加速传质。

3.7 超声波强化机制

XPS显示超声波组Cd3d特征峰（404.13 eV）无氧化镉峰，溶解氧含量降低42%。SEM观察到常规组产物呈柱状团聚（含Zn信号），而超声波组为均匀片状堆叠，证实空化效应可抑制镉的再溶解。

3.9 杂质离子影响

含100 mg/L Cu²⁺的复杂溶液中，超声波组镉回收率达99.26%，Zn-Cu微电池效应使钴共沉淀量减少51.69%。

这项研究开创性地将物理场强化技术应用于重金属回收领域，通过降低21.34 kJ/mol活化能、提升锌粉利用率27%，使年产2.4万吨精镉的企业可增收1.3亿美元。该技术不仅解决了传统工艺反应界面钝化的核心难题，更为复杂溶液体系重金属分离提供了新思路。未来研究需聚焦旋转圆盘电极设计，以更精确模拟工业动态置换过程。