淋溶酸性溶液对SnPb焊料...金属浸出及电化学特性的影响_劳晓东.pdf

第 42 卷第 2 期2023 年 3 月Vol.42No.2Mar.2023JOURNAL OF HENAN POLYTECHNIC UNIVERSITY（NATURAL SCIENCE）河南理工大学学报（自然科学版）淋溶酸性溶液对 SnPb焊料中重金属浸出及电化学特性的影响劳晓东1，2，赵杰3，程从前3，刘晓青1，2，谢娟娟1，2（1.周口师范学院 机械与电气工程学院，河南 周口 466000；2.周口师范学院 稀土功能材料及应用重点实验室，河南 周口 466000；3.大连理工大学 材料科学与工程学院，辽宁 大连 116024）摘要：为研究重金属元素在土壤中的浸出迁移特性，评价其环境污染风险程度，以电子产品SnPb焊料为对象，研究填埋时不同酸性溶液对焊料重金属元素的腐蚀浸出行为以及腐蚀电化学特性的影响，对淋溶液中重金属浸出速率、表面腐蚀产物及形貌和动电位极化曲线等进行分析。结果表明：SnPb 焊料在淋溶 H2SO4HNO3溶液中腐蚀电流密度最高，表面腐蚀产物为PbSO4，Sn 的浸出速率最大，在淋溶 HNO3HCl溶液中的腐蚀电流密度较低，Pb 的浸出速率最大。因此，SnPb焊料在淋溶 H2SO4HNO3溶液条件下，Sn对地下水的污染风险高，Pb对土壤的污染风险高；在淋溶 HNO3HCl溶液条件下，Pb对地下水的污染风险很高。关键词：SnPb焊料；重金属浸出；电化学特性；表面腐蚀；污染风险中图分类号：TG172.4文献标志码：A文章编号：1673-9787（2023）2-182-7Effect of leaching acid solution on leaching and electrochemical characteristics of heavy metals from SnPb solderLAO Xiaodong1，2，ZHAO Jie3，CHENG Congqian3，LIU Xiaoqing1，2，XIE Juanjuan1，2（1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466000，Henan，China；2.The Key Laboratory of Rare Earth Functional Materials and Applications，Zhoukou Normal University，Zhoukou 466000，Henan，China；3.School of Materials Science and Engineering，Dalian University of Technology，Dalian 116024，Liaoning，China）Abstract：SnPb solder of electronic products was employed in this paper，to study the characteristics of leaching and migration of heavy metals in soil，and to evaluate the degree of environmental pollution risk.The effects of leaching components on the corrosion leaching behavior of heavy metals and electrochemical characteristics of the solder leached by different acidic solutions were studied，the leaching rate of heavy metals，surface corrosion products，morphology and potentiodynamic polarization curve were analyzed.The results showed that the corrosion current density of SnPb solder was the highest under the condition of 劳晓东，赵杰，程从前，等.淋溶酸性溶液对 SnPb焊料中重金属浸出及电化学特性的影响 J.河南理工大学学报（自然科学版），2023，42（2）：182-188.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021020033LAO X D，ZHAO J，CHENG C Q，et al.Effect of leaching acid solution on leaching and electrochemical characteristics of heavy metals from SnPb solder J.Journal of Henan Polytechnic University（Natural Science），2023，42（2）：182-188.doi：10.16186/ki.1673-9787.2021020033收稿日期：2021-02-20；修回日期：2021-06-24基金项目：国家自然科学基金资助项目（51571051）；河南省高等学校重点科研项目（20A430035）；河南省高等学校青年骨干教师培养计划项目（2020GGJS216）；周口师范学院高层次人才科研启动研究项目（ZKNUC2016019）；周口师范学院横向科研项目（2021031）第一作者简介：劳晓东（1981），女，河南周口人，博士，讲师，主要从事金属材料电化学腐蚀方面的教学和研究工作。Email：O S I D第 2 期劳晓东，等：淋溶酸性溶液对 SnPb焊料中重金属浸出及电化学特性的影响H2SO4-HNO3 solution.PbSO4 was observed on the solder surface as corrosion product，and the leaching rate of Sn was the highest，indicating the highest pollution risk to groundwater and the high risk to soil from Pb.The corrosion current density of SnPb solder was the lower leached by HNO3-HCl solution，and the highest leaching rate of Pb represented the highest pollution risk to groundwater.Key words：SnPb solder；leaching of heavy metal；electrochemical characteristic；surface corrosion；pollution risk0引 言电子废弃物中含有多种有毒重金属元素，如铅、汞、镉、铬等，若处置不当，在酸雨淋溶、土壤介质腐蚀等外界条件影响下，重金属元素会发生浸出并进入地下水或土壤中1，从而危害人体健康和生态环境2。其中 SnPb 电子焊料腐蚀及重金属元素浸出一直受到研究者关注。一方面，虽然WEEE和 RoHS指令禁止使用含铅材料，但旧式电子产品仍含有锡铅焊料，目前这些旧式电子产品正在淘汰并废弃，废弃电子产品在拆解地或填埋场中的腐蚀成为重金属元素 Pb 发生浸出的主要来源之一3。另一方面，从电子焊料腐蚀与重金属元素浸出机理研究方面，SnPb含量成为目前认识无铅焊料腐蚀与重金属元素浸出的基本对比数值4-5。同时，有关 Pb 元素的浸出特性研究方面，尚存一定争议。例如，采用 TCLP 法检测发现电子垃圾中 Pb元素浸出严重超标6，而在模拟填埋环境条件下，电子垃圾渗沥液中并未检测到 Pb元素的浸出7，甚至低于毒性特征阈值 5 mg/L8-9。因此，研究 SnPb 焊料腐蚀及重金属元素浸出规律，是认识重金属元素对环境污染行为的基础。从重金属元素浸出与迁移环境角度看，焊料在土壤环境中的腐蚀与元素浸出，土壤是重金属迁 移 的 载 体，对 重 金 属 迁 移 与 浸 出 有 重 要 影响10，但已有研究主要集中在溶液环境的腐蚀与浸出方面。例如，文献研究 Sn 基焊料在 NaCl，KOH，HBF4-H2O2等溶液中腐蚀与浸出行为11-13。WANG M N 等14研 究 Sn 基 焊 料 分 别 在 H2SO4，HNO3溶液中浸泡时，Sn 基无铅焊料中的 Sn 元素均有明显的浸出，反而 SnPb 焊料中的 Sn 和 Pb 元素浸出较低。显然，这一实验结果与电子垃圾拆解地 Pb 元素严重超标15不相符。因此，从腐蚀的角度探索 Sn 基焊料中重金属在何种条件下以何种方式在拆解地进行浸出和迁移是值得研究的问题。本文对 SnPb 焊料在土壤中填埋环境下长期淋溶不同溶液进行研究，观察其重金属元素浸出过程，结合焊料的电化学腐蚀测试，以及腐蚀产物和形貌特性分析，评估重金属元素在土壤/地下水中的迁移特性，以期对电子垃圾回收处理、污染减控、环境重整等提供参考依据。1材料与方法1.1实验材料实 验 采 用 传 统 63Sn-37Pb 共 晶 焊 料，简 称SnPb 焊料。将 SnPb 材料切割成 20 mm15 mm1.5 mm 的试样，铜片切割成 50 mm30 mm1 mm试样，工作面依次用 4001 000 号水磨砂纸打磨，用乙醇和去离子水清洗并吹干，非工作面由环氧树脂进行涂封。为加速实验进程设置为电偶腐蚀实验。SnPb焊料作为阳极，铜作为阴极。实验土壤选用江西鹰潭土壤站地表 1 m 以下的 深 层 土 壤，为 典 型 的 酸 性 土 壤，pH 为 4.55.511，其理化性质如表 1所示。在室温下阴凉处自然风干后研磨，过 10 目尼龙筛，105 下烘烤 6 h。分别用不同摩尔浓度的模拟酸雨淋溶液饱和土壤，置于不同的实验设备中16。根据江西地区的酸雨情况，酸雨中阴离子的主要成分为 SO42和 NO3，本文选择硫酸和硝酸的混合溶液作为实验试剂，并选择硫酸和盐酸的混合溶液及硝酸和盐酸的混合溶液作为对照实验。将 各 组 对 照 实 验 的 摩 尔 浓 度 定 为 0.2 mol/L HNO3-0.2 mol/LHCl、0.4 mol/L H2SO4-0.2 mol/L HNO3和 0.2 mol/L HCl-0.4 mol/L H2SO4，以 加 速实验。表 1土壤样品的理化性质16 Tab.1Physical and chemical parameters of experimental soil%(Salt)0.005 6(Cl-)0.000 8(SO42-）0.000 9(NO3-)0.000 6(HCO3-)0.001 0(Ca2+)0.000 8(Mg2+)0.000 5(K+)0.000 1(Na+)0.000 21832023 年第 42 卷河南理工大学学报（自然科学版）1.2实验方法土壤模拟淋溶实验装置如图 1所示。将试样按照实施和评估实验室土壤腐蚀实验的标准17填埋，定时定量向实验土壤淋溶模拟酸雨溶液，容器底部设计渗漏装置，并定期收集淋出液，以分析其中 Sn，Pb元素的含量。动电位极化曲线测试采用科思特 CS350测试系统。采用三电极体系，SnPb 焊料为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极（SCE）作参比电极；电位扫描范围为-0.31.5 V，扫描速率为0.5 mV/s。每周收集装置底部渗出的渗滤液，采用 Optima2000DV 电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP）检测所收集的淋出液体中 Sn，Pb 的浓度，并计算每周焊料的浸出量及单位表面积焊料中 Sn，Pb元素的浸出量。用扫描电镜（Zeiss Supra 55）观察浸出实验后焊料的表