響應曲面法優(yōu)化廢電路板浸金工藝參數(shù)試驗研究

高 娜

(瀘州職業(yè)技術學院 人工智能與大數(shù)據(jù)學院，四川 瀘州 646000)

廢電路板中含有金、鈀、銀等貴金屬，具有一定回收價值[1]。目前，從廢電路板中回收貴金屬的方法包括火法、濕法、機械破碎-物理分離法等[2-4]。與火法和機械破碎物理分選相比，濕法工藝因優(yōu)勢明顯，得到廣泛研究與應用，但存在化學試劑消耗量高、廢渣量大等缺點[5-7]?？刂齐娢宦然龇ㄒ蚓哂泄に嚭唵巍⒌统杀镜葍?yōu)點越來越受到關注。試驗研究了用控制電位氯化浸出法浸出廢電路板中的金，考察了各因素對金浸出的影響，并通過響應曲面法確定了最佳工藝條件，以求為從廢電路板中高效提取貴金屬提供一種可參考的方法。

1 試驗部分

1.1 試驗原料、試劑及儀器

廢電路板：廢電腦內存條,用剪切式破碎機和沖擊式旋轉磨碎機兩級破碎篩分，再通過高壓靜電分選法進行金屬富集，粒徑0.45 mm，主要成分見表1。

表1 廢電路板的主要化學成分 %

主要試劑：NaClO3，99.0%，阿拉丁試劑有限公司；H2SO4，98.0%，國藥集團；NaCl，99.8%，國藥集團；蒸餾水，上海優(yōu)普儀器設備有限公司。

主要儀器：電子天平，AL104型，上海精天電子儀器有限公司；磁力攪拌機，HJ-3型，金壇市盛藍儀器制造公司；氧化還原探頭，LE20型，梅特勒托利多集團；pH計，S-3C型，上海精密科學儀器有限公司；真空泵，SHZ-DⅢ型，上海丞明儀器設備有限公司；電感耦合等離子體光譜儀，ICP-AE型，美國賽默飛世爾科技公司。

1.2 試驗原理

控制電位氯化浸出法是利用不同元素的氧化還原電位差異達到浸出和分離金屬的目的。采用此法分離金屬通常需要添加氧化劑(如氯氣或氯酸鈉)來控制電位[8]。在系統(tǒng)控制的電位下，電位較正的元素基本不被氧化而留在渣中，而電位較負的元素首先被氧化進入溶液[9]，從而實現(xiàn)不同金屬元素的選擇性浸出和分離。元素氧化和還原電位差異越大，浸出效果越好。氧化還原電位較低時賤金屬溶解浸出，氧化還原電位較高時貴金屬溶解浸出[10]。因此，控制電位氯化浸出法可用于分離貴賤金屬。部分貴賤金屬在Me-Cl-H2O體系中的氧化還原電位及吉布斯自由能見表2。

表2 部分貴賤金屬在Me-Cl-H2O體系中的氧化還原電位及吉布斯自由能

1.3 試驗方法

準確稱取5 g廢電路板樣品置于200 mL燒杯中，加入50 mL硫酸溶液(浸出介質)，保持恒溫[15]。勻速攪拌加入氯酸鈉和氯化鈉，通過氧化還原探頭監(jiān)測電位，控制在1.1 V左右。試驗結束后用電感耦合等離子體光譜儀測定浸出液和浸出渣中金含量，計算金浸出率。計算公式[16]為

式中：y—金浸出率，%；m—廢電路板樣品質量，g；w—廢電路板樣品中金質量分數(shù)，%；V—浸出液體積，V;ρ—浸出液中金質量濃度，g/L。

2 試驗結果與討論

2.1 單因素試驗

2.1.1 NaCl質量濃度對金浸出率的影響

浸出溫度50 ℃，浸出時間 90 min，硫酸質量濃度150 g/L，NaCl質量濃度對金浸出率的影響試驗結果如圖1所示。

圖1 NaCl質量濃度對金浸出率的影響

由圖1看出：隨NaCl質量濃度升高，金浸出率先升高后降低；NaCl質量濃度升至16 g/L時，金浸出率達最大，為92.50%。這主要是因為浸出過程包括氯酸鈉氧化和氯化鈉配合物形成[17]。在電位1.1 V條件下，金被氯氣氧化，與氯離子形成配合物，在配合物形成過程中，隨氯離子濃度升高，配合反應達到平衡，同時，溶液中更多氯離子的存在會促進配合反應正向進行。[18]。

2.1.2 浸出溫度對金浸出率的影響

浸出時間90 min，NaCl質量濃度16 g/L，硫酸質量濃度150 g/L，浸出溫度對金浸出率的影響試驗結果如圖2所示。

圖2 浸出溫度對金浸出率的影響

由圖2看出：隨浸出溫度升高，金浸出率先升高后降低；溫度升至50 ℃時，金浸出率達最大，為94.04%。這是因為反應體系沒有密封，浸出溫度過高，氯氣從反應系統(tǒng)中逸出的可能性增大，造成氧化劑損失[19]。

2.1.3 浸出時間對金浸出率的影響

浸出溫度50 ℃，NaCl質量濃度16 g/L，硫酸質量濃度150 g/L，浸出時間對金浸出率的影響試驗結果如圖3所示。

圖3 浸出時間對金浸出率的影響

由圖3看出：金浸出率隨反應進行先升高后緩慢降低；反應90 min時，金浸出率達最大，為93.42%。

2.2 響應曲面法優(yōu)化工藝參數(shù)

響應曲面法是一種用于優(yōu)化反應過程的統(tǒng)計設計方法。試驗采用響應曲面法和中心復合設計對浸出工藝參數(shù)進行優(yōu)化。在分析單因素對金浸出率影響基礎上，通過中心復合試驗設計原則，選擇浸出溫度、浸出時間和NaCl質量濃度為優(yōu)化因素，利用Design-Expert 8.0.6軟件對3因素2水平的響應面進行分析。優(yōu)化因素及水平見表3，試驗設計及結果見表4，方差分析結果見表5。

表3 響應曲面法優(yōu)化因素及水平

表4 響應曲面法試驗設計及結果

表5 方差分析結果

利用Design-Expert 8.0.6軟件對表4數(shù)據(jù)進行擬合，得到二階非線性回歸方程：

y=92.52+0.83A-0.37B+1.52C-

0.22AB-0.29AC+0.14BC-

2.65A2-0.70B2-1.69C2。

由回歸方程可知，一次項的偏回歸系數(shù)絕對值順序為NaCl質量濃度>浸出溫度>浸出時間，表明對金浸出率影響最大的因素是NaCl質量濃度。

由表5看出：F=6.51，P<0.01，表明模型達到極顯著水平；失擬項P<0.000 1，失擬項不顯著。根據(jù)計算得出：模型標準方差為2.11，表明擬合的回歸方程較為準確；該模型的決策系數(shù)為0.914 2，說明該模型具有良好的預測能力；信噪比大于4，說明模型具有良好的擬合和預測效果。

3個因素兩兩相互作用對金浸出率的影響試驗結果如圖4～6所示。由圖4看出：在浸出時間90 min、NaCl質量濃度16 g/L條件下，浸出溫度從40 ℃升至50 ℃，金浸出率從90.15%升至94.16%。由圖5看出：在浸出溫度50 ℃、浸出時間90 min條件下，NaCl質量濃度從14 g/L升至16 g/L，金浸出率從87.64%升至92.80%。由圖6看出：浸出溫度和NaCl質量濃度分別為50 ℃ 和16 g/L時，浸出時間從60 min延長至90 min，金浸出率從90.75%升至93.42%。上述結果說明，兩兩因素交互作用對金浸出率的影響結果與單因素試驗結果相吻合。

圖4 浸出溫度與時間相互作用對金浸出率的影響

圖5 浸出溫度與NaCl質量濃度相互作用對金浸出率的影響

圖6 浸出時間與NaCl質量濃度相互作用對金浸出率的影響

通過軟件Design-Expert的參數(shù)優(yōu)化，對回歸模型求解方程，得到最優(yōu)理論試驗條件為：浸出時間82.66 min，溫度51.47 ℃，NaCl質量濃度16.86 g/L，計算得出此條件下的金浸出率理論預測值為94.60%。

根據(jù)上述理論參數(shù)優(yōu)化方案，確定實際優(yōu)化條件方案為：浸出時間80 min，溫度50 ℃，NaCl質量濃度17 g/L，在此條件下進行浸出試驗，得到金浸出率為94.55%，與理論預測值94.60%僅相差0.05%，表明用響應曲面法優(yōu)化工藝參數(shù)可靠實用。

3 結論

在電位1.1 V條件下，可采用控制電位氯化浸出法從廢電路板中浸出金。采用響應曲面法對單因素試驗確定的優(yōu)化試驗條件進一步優(yōu)化，確定了最佳試驗條件為：浸出溫度50 ℃，NaCl質量濃度17 g/L，浸出時間80 min，在該條件下，金浸出率達94.55%，實際試驗值與理論預測值僅相差0.05%，表明用響應曲面法優(yōu)化從電路板浸出金工藝參數(shù)可靠實用。但受目前試驗設備和數(shù)據(jù)規(guī)模限制，此優(yōu)化方法仍有待進一步完善和優(yōu)化。