從銅冶煉系統(tǒng)砷鉍渣中提取砷試驗(yàn)研究

牛永勝，王源瑞，龐振業(yè)，郭永宏，李 杰，姚應(yīng)峰

(1.西北礦冶研究院，甘肅 白銀 730900；2.白銀有色集團(tuán)股份有限公司，甘肅 白銀 730900)

銅冶煉煙塵在制酸過(guò)程中產(chǎn)生污酸廢水，其中含有錸(10～30 mg/L)、銅(600～800 mg/L)、鉍(500～1 000 mg/L)和砷(13～20 g/L)等有價(jià)元素。目前，針對(duì)這種廢水，主要采用電位控制硫化沉淀法先沉淀銅、鉍、砷，再用硫代硫酸鈉還原沉淀錸工藝使銅、鉍、砷與錸分離，實(shí)現(xiàn)錸的富集[1]。銅、鉍、砷硫化沉淀過(guò)程中產(chǎn)生大量砷鉍渣，砷鉍渣通過(guò)返爐熔煉回收銅，但砷、鉍始終在系統(tǒng)中閉路循環(huán)，造成銅電解液中砷、鉍濃度較高，嚴(yán)重影響陰極銅質(zhì)量。采用火法處理砷鉍渣[2-4]，砷、鉍分離不徹底，鉍精煉直收率低，且環(huán)境污染較大[5]。濕法工藝中的直接氧化法[6]、硫酸銅置換法[7]、堿浸法[8-12]、氧壓浸出法[13-14]和硫酸鐵法[15-16]等雖能實(shí)現(xiàn)砷的脫除和銅、鉍富集，但也存在一些缺點(diǎn)。硫酸銅置換法銅粉消耗量大，成本高；堿浸法堿量消耗大且難以回收，需再通過(guò)氧化-還原過(guò)程才能制備低環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的砷產(chǎn)品；硫酸鐵法工藝復(fù)雜、成本高，制備的三氧化二砷中鐵容易超標(biāo)，難以達(dá)到質(zhì)量要求[17]；氧壓浸出—二氧化硫/亞硫酸鈉還原工藝[18]雖可獲得品質(zhì)較好的As2O3，但過(guò)程中返料多,砷回收率較低。試驗(yàn)提出采用砷鉍渣氧壓酸浸—浸出液砷鉍渣還原—還原液蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶法制備高純度As2O3，以期控制物料中的砷在系統(tǒng)內(nèi)循環(huán)、無(wú)二次污染，實(shí)現(xiàn)砷、銅、鉍的高效分離與富集。

1 試驗(yàn)部分

1.1 試驗(yàn)原料、試劑及設(shè)備

試驗(yàn)原料為甘肅某銅冶煉廠污酸分步硫化沉淀產(chǎn)生的砷鉍渣，渣中的砷、銅和鉍等主要以硫化物(CuS、Bi2S3和As2S3等)形式存在，其主要成分見(jiàn)表1。

表1 砷鉍渣化學(xué)成分ICP分析結(jié)果 %

試驗(yàn)設(shè)備：真空干燥箱(DZF-L)、電子天平(AUW-D)、機(jī)械攪拌器(YK120)、高壓反應(yīng)釜(YZMR-2)、酸度計(jì)(2100/3Cpro-B)、循環(huán)式真空抽濾機(jī)(SHB-Ⅲ)、封閉電爐(AP46A-50)、X熒光光譜儀(AXIOS-PW4400X)。

試驗(yàn)試劑：濃硫酸(試劑級(jí)，98%)，氧氣(工業(yè)級(jí)，純度>99%)。

1.2 試驗(yàn)原理及方法

1.2.1 試驗(yàn)原理

在氧壓條件下用硫酸浸出砷鉍渣，浸出過(guò)程中砷、銅分別以砷酸和硫酸銅形式進(jìn)入浸出液，鉍生成硫酸鉍富集在浸出渣中；浸出液中加入砷鉍渣可將砷酸還原及與硫酸銅作用使砷生成亞砷酸。主要化學(xué)反應(yīng)式見(jiàn)(1)～(5)。過(guò)濾后，亞砷酸溶液加熱蒸發(fā)濃縮至溶液中砷質(zhì)量濃度大于65 g/L，然后降溫冷卻，析出晶體后過(guò)濾，晶體洗滌后得純度>99%的白砷產(chǎn)品，渣相返回冶煉系統(tǒng)回收銅。

(1)

(2)

(3)

氧化酸浸液中，砷主要以H3AsO4形式存在，其中的砷為五價(jià)。砷鉍渣中的As2S3具有還原性，可將五價(jià)砷還原為三價(jià)砷：

(4)

(5)

1.2.2 試驗(yàn)方法

氧壓浸出：在高壓反應(yīng)釜中，將硫酸與砷鉍渣按一定液固體積質(zhì)量比混合，在不同氧分壓、不同溫度條件下反應(yīng)一段時(shí)間，將砷鉍渣中的硫化砷、硫化鉍和硫化銅等分別轉(zhuǎn)化為砷酸、硫酸鉍和硫酸銅并進(jìn)入溶液，鉍則留在渣中，實(shí)現(xiàn)與銅、砷的分離。

砷鉍渣還原：氧壓浸出液中加入適量砷鉍渣，將五價(jià)砷還原為三價(jià)砷，同時(shí)溶液中存在的硫酸銅與砷鉍渣中的硫化砷反應(yīng)，最終將砷轉(zhuǎn)化為HAsO2。過(guò)濾，濾渣回收銅。

蒸發(fā)冷卻結(jié)晶：砷鉍渣氧壓浸出液還原后，在一定溫度下蒸發(fā)濃縮，使其中的As(Ⅲ)質(zhì)量濃度達(dá)到65 g/L，然后將溫度降至0～10 ℃下，冷卻2 h，析出晶體，過(guò)濾后得白砷產(chǎn)品。

工藝流程如圖1所示。

圖1 砷鉍渣脫砷工藝流程

溶液及固體產(chǎn)物中的砷含量采用化學(xué)滴定法[19]測(cè)定，其他主要元素用XRF和ICP分別進(jìn)行定性和定量分析。砷脫除率(r)、HAsO2產(chǎn)率(ε)計(jì)算公式分別為：

(6)

(7)

式中：m1—砷鉍渣中砷質(zhì)量，g；m2—氧壓浸出液中砷質(zhì)量，g；w1—理論HAsO2轉(zhuǎn)化質(zhì)量，g；w2—實(shí)際HAsO2轉(zhuǎn)化質(zhì)量，g。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 砷鉍渣氧壓酸浸

砷鉍渣質(zhì)量500 g，攪拌速度800 r/min，在高壓釜中進(jìn)行氧壓酸浸。氧分壓、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時(shí)間、液固體積質(zhì)量比、硫酸質(zhì)量濃度對(duì)砷、銅浸出率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 砷鉍渣氧壓酸浸試驗(yàn)結(jié)果

由表2看出：在氧分壓0.5 MPa、反應(yīng)溫度150 ℃、液體體積質(zhì)量比4/1、硫酸質(zhì)量濃度140 g/L、反應(yīng)時(shí)間3 h、攪拌速度800 r/min條件下，砷、銅浸出率分別為99.3%和98.6%。浸出液主要組成見(jiàn)表3。可以看出，砷鉍渣中的砷、銅與鉍得到有效分離，鉍富集在渣中；浸出液中，砷、銅質(zhì)量濃度達(dá)32.06、18.84 g/L，可資源化回收。

表3 浸出液的主要組成 g/L

2.2 氧壓浸出液的砷鉍渣還原

2.2.1 還原反應(yīng)溫度對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

液固體積質(zhì)量比4/1，還原反應(yīng)時(shí)間3 h，還原反應(yīng)溫度對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。

圖2 還原反應(yīng)溫度對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

由圖2看出：HAsO2產(chǎn)率隨還原反應(yīng)溫度升高而提高；溫度升至150 ℃時(shí)，HAsO2產(chǎn)率達(dá)90.6%；溫度繼續(xù)升高，HAsO2產(chǎn)率變化不大。氧壓浸出液中加入砷鉍渣，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)(4)、(5)，均為液-固反應(yīng)，升溫有利于離子擴(kuò)散[20]，促進(jìn)反應(yīng)進(jìn)行。綜合考慮能耗等因素，確定還原反應(yīng)溫度以150 ℃為宜。

2.2.2 還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

液固體積質(zhì)量比4/1，還原反應(yīng)溫度150 ℃，還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響試驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 還原反應(yīng)時(shí)間對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

由圖3看出：HAsO2產(chǎn)率隨還原反應(yīng)時(shí)間延長(zhǎng)而提高；反應(yīng)3 h時(shí)，HAsO2產(chǎn)率達(dá)93.4%；再繼續(xù)反應(yīng)，HAsO2產(chǎn)率變化不大。綜合考慮，確定最佳還原反應(yīng)時(shí)間為3 h。

2.2.3 液固體積質(zhì)量比對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

還原反應(yīng)溫度150 ℃，還原反應(yīng)時(shí)間3 h，液固體積質(zhì)量比對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 液固體積質(zhì)量比對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響 %

由表4看出：HAsO2產(chǎn)率隨液固體積質(zhì)量比增大而提高；液固體積質(zhì)量比為4/1時(shí)，砷回收率達(dá)94.63%。隨液固體積質(zhì)量比增大，溶液黏度下降，有利于離子擴(kuò)散，提高反應(yīng)速率；但液固體積質(zhì)量比過(guò)大，后續(xù)液體處理量大，處理成本升高。綜合考慮，液固體積質(zhì)量比以4/1為宜。

圖質(zhì)量濃度對(duì)HAsO2產(chǎn)率的影響

2.3 還原液的蒸發(fā)濃縮與冷卻結(jié)晶

對(duì)400 mL還原液進(jìn)行蒸發(fā)濃縮，至As(Ⅲ)質(zhì)量濃度為65 g/L，然后降溫至0～10 ℃冷卻2 h，之后過(guò)濾，洗滌結(jié)晶物得As2O3產(chǎn)品。結(jié)晶母液和洗滌液返回蒸發(fā)濃縮工序。產(chǎn)品的ICP分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 As2O3產(chǎn)品的化學(xué)組成 %

3 結(jié)論

針對(duì)砷鉍渣，采用氧壓酸浸—浸出液還原—還原液蒸發(fā)濃縮—冷卻結(jié)晶工藝可回收As2O3。適宜條件下：砷、銅浸出率分別為99.3%和98.6%，氧壓浸出渣中鉍質(zhì)量分?jǐn)?shù)為54.84%；浸出液還原后，HAsO2產(chǎn)率可達(dá)94.6%；還原后的溶液經(jīng)蒸發(fā)濃縮、冷卻結(jié)晶、過(guò)濾、洗滌得到As2O3產(chǎn)品，純度99.3%。該工藝簡(jiǎn)單，砷、銅、鉍得到有效分離和回收。