以堿性焙燒—水浸工藝從白銀爐電收塵中選擇性除砷及浸出動力學研究

王曉陽，王文祥，方紅生，馬承榮，吳克富

(1.廣東環境保護工程職業學院 環境工程學院，廣東 佛山 528216；2.季華實驗室 材料分析測試中心，廣東 佛山 528200；3.佛山市危險廢物安全處置與綜合利用工程技術研究中心，廣東 佛山 528216；4.白銀有色集團股份有限公司 銅業公司，甘肅 白銀 730900)

白銀爐電收塵系統收集的含砷煙塵中含有大量銅、鉛及少量鋅、鉍等有價金屬，具有較高經濟價值[1]，但因含有砷，難以直接返回熔煉系統[2]。因此，銅熔煉系統從煙塵中開路分離砷有重要意義。

含砷煙塵常用的脫砷方法有火法、濕法及聯合法等[3]。火法主要是真空碳熱還原脫砷[4]、氧化焙燒脫砷[5]、硫化焙燒脫砷[6]及硫酸化焙燒脫砷[7]。濕法脫砷主要是酸浸脫砷[8]及堿浸氧化脫砷(常用氧化劑包括H2O2、S、Na2S、NaHS等)[9-12]。聯合法則主要是火法與濕法相結合，先焙燒后浸出，從而達到脫砷目的[13]。純火法脫砷工藝流程短、適應性強，但存在環境污染、生產環境惡劣等問題[14]；全濕法脫砷工藝流程長、物料適用性差[14]；火法-濕法聯合則能綜合互補，流程較短、環境友好、適用范圍廣[15-17]。

試驗研究采用低溫堿性焙燒—水浸工藝從白銀爐電收塵中選擇性分離砷并同時回收其他有價金屬，以期為此類煙塵的砷開路及有價金屬綜合回收提供可行方法。

1 試驗部分

1.1 試驗原料與試劑

白銀爐電收塵取自國內某銅業公司，其中砷質量分數4.48%，銅質量分數12.64%、鉛質量分數21.39%，也含少量鉍(5.36%)、鋅(2.33%)、Sb(0.61%)、Sn等有價金屬[1]。砷的賦存狀態見表1，主要以砷酸鉍、砷酸鉛、單質砷與砷氧化物等形式存在。粒度主要集中在0.2～0.3 μm與2～3 μm 兩個區間，平均粒度11.33 μm，d50=5.38 μm。

表1 白銀爐電收塵中砷的賦存狀態

試劑：碳酸鈉、鹽酸、硝酸、氫氟酸，均為分析純；砷標準溶液，基準試劑。

1.2 試驗設備

數顯恒溫水浴鍋，電子天平，微波消解儀，數顯攪拌器，250 mL燒杯若干等。

1.3 試驗原理與方法

電收塵與碳酸鈉按比例均勻混合，在馬弗爐中恒溫焙燒一定時間后，冷卻、破碎、篩分得到焙燒渣。焙燒過程中，砷物相在氧化氣氛中與碳酸鈉反應轉化為可溶性砷酸鹽：

2Na3AsO4+2CO2；

(1)

2Na3AsO4+2CO2；

(2)

(3)

(4)

2Na3AsO4+Zn(OH)2；

(5)

4Na2SO4+4Na3AsO4+10CO2；

(6)

2Na3AsO4+CO2+3H2O；

(7)

(8)

焙燒渣按一定液固體積質量比在恒溫下用水攪拌浸出，過濾得含砷濾液及浸出渣。浸出過程中，可溶性砷酸鹽溶解進入溶液，而有價金屬富集在浸出渣中[12]。分析浸出液中砷質量濃度及浸出渣中其他有價金屬質量分數，計算各金屬浸出率[13]。

砷的賦存狀態用X射線衍射儀(XRD)和化學物相法分析，粒度分布采用TopSizer激光粒度儀測定，渣中的銅、鉛、砷質量分數采用ICP-OES測定。

2 試驗結果與討論

2.1 電收塵的堿性焙燒

堿性焙燒效果以一定條件下對焙燒渣的浸出效果為評價指標。浸出條件：液固體積質量比4 mL/1 g，浸出溫度60 ℃，浸出時間2 h，攪拌速度250 r/min。

2.1.1 堿料質量比對焙燒效果的影響

焙燒時間2 h、焙燒溫度600 ℃條件下，堿料質量比對白銀爐電收塵中金屬浸出率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 堿料質量比對金屬浸出率的影響

由圖1看出：隨堿料質量比增大，砷浸出率升高，鉛、鋅浸出率低于1.00%，銅、鉍幾乎不浸出；堿料質量比為1.2/1時，砷浸出率達90.66%，鉛、鋅浸出率僅為0.44%和0.11%。碳酸鈉的添加將電收塵中的難溶砷物相轉化為可溶砷物相；但碳酸鈉用量過大又會增加脫砷成本。綜合考慮，確定堿料質量比為1.2/1為最優。

2.1.2 焙燒時間對焙燒效果的影響

堿料質量比1.2/1，焙燒溫度600 ℃，焙燒時間對白銀爐電收塵中金屬浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 焙燒時間對金屬浸出率的影響

由圖2看出：當焙燒時間不足2 h時，隨焙燒時間延長，砷浸出率逐步升高，鉛、鋅浸出率維持在較低水平，銅、鉍完全不浸出；焙燒2 h時，砷浸出率達最高，90.78%，此時鉛、鋅浸出率僅為0.46%和0.08%；繼續延長焙燒時間，砷浸出率基本維持不變。表明焙燒過程中含砷物相與碳酸鈉的反應在2 h內基本達到平衡，繼續延長焙燒時間反而會增加脫砷成本。綜合考慮，確定焙燒時間以2 h為宜。

2.1.3 焙燒溫度對焙燒效果的影響

堿料質量比1.2/1，焙燒時間2 h，焙燒溫度對白銀爐電收塵中金屬浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 焙燒溫度對金屬浸出率的影響

由圖3看出：焙燒溫度低于600 ℃時，砷浸出率隨焙燒溫度升高而升高，鉛、鋅浸出率維持在較低水平，銅、鉍完全不浸出；焙燒溫度為600 ℃時，砷浸出率為90.80%，鉛、鋅浸出率分別為0.42%、0.09%；焙燒溫度超過600 ℃后，砷浸出率有所降低，鉛、鋅浸出率有所升高但浸出率仍較低。相對于堿料質量比和焙燒時間，焙燒溫度對砷浸出率的影響更大[1]。焙燒溫度過低時，砷由難溶性物質向可溶性砷酸鹽的轉化過程進展緩慢，砷浸出率較低；而焙燒溫度過高時，電收塵中的錫、銻等亦與碳酸鈉反應[12]形成競爭關系，從而抑制砷的轉化，使砷浸出率降低。因此，焙燒溫度以600 ℃為宜。

2.2 焙燒渣的水浸

對最優焙燒條件下獲得的堿性焙燒渣用水浸出，考察液固體積質量比、浸出溫度、浸出時間、攪拌速度對金屬浸出率的影響。

2.2.1 液固體積質量比對浸出率的影響

攪拌速度250 r/min，浸出溫度70 ℃，浸出時間1.5 h，液固體積質量比對焙燒渣中金屬浸出率的影響試驗結果如圖4及表2所示。

圖4 液固體積質量比對金屬浸出率的影響

表2 最佳液固體積質量比條件下，浸出渣及浸出液的主要成分

由圖4看出：隨液固體積質量比增大，砷、鋅浸出率逐漸降低，而鉛浸出率逐漸升高，銅、鉍等其他金屬基本不浸出。為了提高砷浸出率、抑制鉛、鋅浸出及保證過濾，確定液固體積質量比以4 mL/1 g為最佳，此時砷浸出率為92.66%，鉛、鋅浸出率分別為1.30%、0.53%。

由表2看出：最佳液固體積質量比條件下，浸出渣中有價金屬質量分數達59.60%，渣中砷質量分數為0.75%。

2.2.2 浸出時間對金屬浸出率的影響

液固體積質量比4 mL/1 g，溫度70 ℃，攪拌速度250 r/min，浸出時間對金屬浸出率的影響試驗結果如圖5及表3所示。

圖5 浸出時間對金屬浸出率的影響

表3 最佳浸出時間條件下，浸出渣及浸出液的主要成分

由圖5看出：隨浸出時間延長，砷、鉛、鋅浸出率均變化不大，分別維持在91%左右和1.4%以下，銅、鉍等基本不浸出。浸出時間越長能耗越大，綜合考慮，確定浸出時間以1.0 h為最佳。由表3看出：在浸出1.0 h條件下，浸出渣中有價金屬質量分數達56.34%，砷質量分數為0.80%。

2.2.3 浸出溫度對金屬浸出率的影響

液固體積質量比4 mL/1 g，浸出時間1.0 h，攪拌速度250 r/min，浸出溫度對焙燒渣中金屬浸出率的影響試驗結果如圖6及表4所示。

圖6 浸出溫度對金屬浸出率的影響

表4 最佳浸出溫度條件下,浸出渣及浸出液的主要成分

由圖6看出：隨浸出溫度升高，砷、鉛、鋅浸出率均略有升高，但升高幅度不大。綜合考慮，確定浸出溫度以60 ℃為最佳，此時砷浸出率達91.27%。由表4看出：最佳浸出溫度條件下，浸出渣中有價金屬質量分數達57.71%，砷質量分數為0.81%。

2.2.4 攪拌速度對金屬浸出率的影響

液固體積質量比4 mL/1 g，浸出溫度60 ℃，浸出時間1.0 h，攪拌速度對金屬浸出率的影響試驗結果如圖7及表5所示。

圖7 攪拌速度對金屬浸出率的影響

表5 最佳攪拌速度條件下，浸出渣及浸出液主要成分

由圖7看出：隨攪拌速度增大，砷、鉛浸出率稍有升高但變化不大，銅、鋅、鉍等其他有價金屬基本不浸出。攪拌速度越快，能耗越高，且易造成飛濺損失，綜合考慮，確定攪拌速度以250 r/min為最佳，此時砷浸出率為91.55%。由表5看出：最佳攪拌速度條件下，浸出渣中有價金屬質量分數達52.97%，砷質量分數為0.72%。

2.3 砷浸出反應動力學

在最優工藝條件下對白銀爐電收塵堿性焙燒渣用水浸出，每隔一定時間取溶液分析砷質量濃度，計算不同溫度下砷浸出率隨浸出時間的變化關系，試驗結果如圖8所示。

—■—273 K；—●—303 K；—▲—333 K；—▼—363 K。

對于液-固多相反應，最常見的反應模型為未反應收縮核模型[18]。因浸出過程主要是砷酸鹽溶解，故僅考慮擴散控制。

由圖8看出：浸出前期，砷浸出速率較大，根據文獻及Johnson Mehl Avrami(JMA)模型(式(10))對試驗數據進行擬合[18-19]。

(9)

ln[-ln(1-x)]=lnk2+nlnt。

(10)

式中：x—浸出率，%；k1、k2—浸出過程的表觀反應速率常數，min-1；t—浸出時間，min；n—Avrami常數，n<1時，初始反應速率極大，但反應速率隨時間延長而不斷減小，且n<0.5時，反應過程屬于擴散控制。

將圖8中浸出率數據代入各模型，并分別對t或lnt作圖，經線性擬合得到相應線性方程及相關系數，結果見表6。可以看出：不同溫度下，JMA模型動力學方程擬合的相關系數更好，如圖9所示，直線斜率和截距分別為n和lnk，對應參數見表7。因此，砷浸出反應符合JMA模型，特征常數n平均為0.445 3<0.5，說明初始反應速率極大，且反應屬于擴散控制，與試驗結果相符。

表6 不同動力學模型的擬合線性方程與相關系數

—■—273 K；—●—303 K；—▲—333 K；—▼—363 K。

表7 不同溫度下，JMA模型的動力學參數

化學反應中，表觀反應速率常數k是熱力學溫度T的函數。Arrhenius公式

(11)

式中：A—頻率因子，lnA為常數；Ea—反應活化能，kJ/mol；R—摩爾氣體常數，8.314 J/(mol·K)；T—熱力學溫度，K。

圖10 電收塵堿性焙燒渣水浸除砷反應的Arrhenius曲線

根據直線斜率可求得浸出反應表觀活化能Ea=10.98 kJ/mol，表明浸出過程為擴散控制。根據直線截距，計算得到頻率因子A=51.90，表觀反應速率常數為51.90exp[-10 980/(RT)]，由此，電收塵焙燒渣水浸脫砷反應動力學方程為

(7)

3 結論

白銀爐電收塵采用堿性焙燒、水浸除砷是可行的，適宜條件下，砷脫除率達91.55%，而鉛、鋅損失率較低，銅、鉍等基本不損失，浸出渣中砷質量分數低于0.81%，鉛、鋅、銅、鉍等有價金屬總質量分數高達59.6%，可直接返回熔煉系統進行綜合回收。

從堿性焙燒渣中浸出砷的反應符合JMA模型，反應特征常數n平均為0.445 3，反應表觀活化能Ea=10.98 kJ/mol，頻率因子A=51.90，浸出反應動力學方程為

浸出過程受擴散控制。