高砷煙塵酸性氧化浸出砷和鋅的試驗(yàn)研究

湯海波，秦慶偉，郭 勇，鄭 鑫，薛 平，李光強(qiáng)，馬登峰

(1.武漢科技大學(xué)鋼鐵冶金及資源利用省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢，430081；2.大冶有色金屬有限公司冶煉廠，湖北 黃石，435005)

在銅的冶煉過(guò)程中，由于精礦通常含有砷，經(jīng)熔煉和吹煉后大部分易揮發(fā)元素(砷、鉛、銻等)進(jìn)入煙氣，多以氧化物或者硫酸鹽的形態(tài)存在于煙塵中。砷及其化合物具有較大毒性，需要妥善處理，而石灰鐵鹽法除砷是一種處理含砷溶液的有效方法[1-4]。某公司在含鉛副產(chǎn)物綜合利用過(guò)程中產(chǎn)出一定量高砷煙塵，需要進(jìn)一步綜合治理和回收有價(jià)金屬，其目前的煙塵綜合利用流程主要由水洗漿化、浸出液鐵屑置換銅、沉銅后液氧化除鐵砷、濃縮結(jié)晶生產(chǎn)硫酸鋅、鉛鉍渣豎爐熔煉等工序組成。結(jié)合該公司現(xiàn)有銅冶煉煙塵綜合利用流程，本文擬進(jìn)行濕法脫砷試驗(yàn)研究，以期為高砷煙塵的妥善處理以及將其并入主體工藝流程提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原料

本試驗(yàn)所用原料為某鉛鉍合金冶煉過(guò)程中產(chǎn)生的二次煙塵，其主要化學(xué)成分及物相分析結(jié)果如表1和圖1所示。從表1和圖1可以看出，此煙塵富含砷、銻、鉛、鉍、錫等元素，其中砷、銻主要以氧化物形態(tài)存在，綜合利用難度大。要實(shí)現(xiàn)銻、鉛、鉍、錫等有價(jià)金屬的高效回收(鋅含量低，為流程考察積累數(shù)據(jù))，必須將砷與其它有價(jià)元素分離并妥善固化或堆存。

表1 高砷煙塵的XRF分析結(jié)果(wB/%)Table 1 XRF analysis results of high-arsenic smelter dust

圖1 高砷煙塵的XRD圖譜Fig.1 XRD pattern of high-arsenic smelter dust

1.2 試驗(yàn)方法

首先配制一定濃度的硫酸溶液于三口燒瓶中，待水浴溫度升至指定值后，按照設(shè)定的液固體積質(zhì)量比(V(液)∶m(固)，mL/g),將100 g高砷煙灰和一定量雙氧水快速加入燒瓶中并用硅膠膜密封，啟動(dòng)集熱式磁力攪拌器，攪拌一定時(shí)間后，將浸出液在2500 r/min條件下離心分離5 min，取上清液經(jīng)稀釋后用原子發(fā)射光譜儀檢測(cè)其中As、Zn元素濃度，根據(jù)每次試驗(yàn)的煙灰使用量及原料煙灰中As、Zn元素含量計(jì)算浸出率。

所用儀器主要有Axios-Advanced型X射線熒光光譜儀、X’Pert Pro MPD型X射線衍射儀、美國(guó)熱電公司IRIS Advantage ER/S型原子發(fā)射光譜儀。所用試劑主要為分析純硫酸和工業(yè)純雙氧水。

2 結(jié)果與分析

2.1 雙氧水添加量對(duì)As、Zn浸出率的影響

在高砷煙塵的酸性氧化浸出過(guò)程中，浸出液中必然含有部分未氧化的低價(jià)砷和鐵，這部分砷和鐵在采用中和沉淀砷、鐵工藝制取砷酸鐵之前必須加以深度氧化，否則將影響砷酸鐵的穩(wěn)定性。通常使用的氧化劑有空氣或氧氣、H2O2、MnO2和KMnO4等，本試驗(yàn)選用H2O2。另外，張榮良等[5]在針對(duì)中和沉淀砷和鐵的熱力學(xué)分析中認(rèn)為，當(dāng)1.02

圖2 雙氧水添加量對(duì)As、Zn浸出率的影響

Fig.2EffectofH2O2dosageonleachingratesofAsandZn

從圖2可以看出，隨著雙氧水添加量的增加，As、Zn元素的浸出率逐步提高。當(dāng)雙氧水添加量由0.25 mL/g(煙灰)增至1.75 mL/g(煙灰)時(shí)，As、Zn的浸出率分別由54.41%和64.48%升至65.61%和81.72%，隨著雙氧水添加量的進(jìn)一步增加，As、Zn元素的浸出率增長(zhǎng)趨緩，原因可能是煙塵中有害元素As與Zn結(jié)合成某種化合物。馮樹(shù)屏[7]、Vircikova[8]等也認(rèn)為銅冶煉煙塵中砷的形態(tài)比較復(fù)雜，除含有砷的氧化物外，還有一定量的砷酸鋅、砷酸鉛、單質(zhì)砷、硫化砷等。綜合考慮，本試驗(yàn)中雙氧水添加量以1.75mL/g(煙灰)為宜。

2.2 浸出時(shí)間對(duì)As、Zn浸出率的影響

在高砷煙塵的酸性氧化浸出過(guò)程中，浸出時(shí)間影響砷的價(jià)態(tài)，進(jìn)而影響浸出率。在稀硫酸pH值2、溫度80℃、液固體積質(zhì)量比 8∶1、H2O2添加量1.75 mL/g(煙灰)、攪拌速度705 r/min的條件下，浸出時(shí)間對(duì)As、Zn浸出率的影響見(jiàn)圖3。

圖3 浸出時(shí)間對(duì)As、Zn浸出率的影響

Fig.3EffectofleachingtimeonleachingratesofAsandZn

從圖3中可以看出，浸出時(shí)間由30 min延長(zhǎng)至105 min時(shí)，As、Zn浸出率分別由56.31%和52.57%提高到71.35%和84.76%，增長(zhǎng)趨勢(shì)明顯；浸出時(shí)間超過(guò)105 min后，As、Zn浸出率增長(zhǎng)趨緩。因此，浸出時(shí)間宜控制在105 min以?xún)?nèi)。

2.3 液固比對(duì)As、Zn浸出率的影響

一般說(shuō)來(lái)，隨著液固比的增大，固液接觸機(jī)會(huì)增多，從而有利于提高浸出率。在稀硫酸pH值2、溫度80 ℃、浸出時(shí)間105min、H2O2添加量1.75 mL/g(煙灰)、攪拌速度705 r/min的條件下，液固體積質(zhì)量比對(duì)As、Zn浸出率的影響如圖4所示。

從圖4可以看出，當(dāng)液固體積質(zhì)量比由5∶1提高到10∶1時(shí)，As、Zn浸出率分別由54.03%和52.33%提高到84.24%和86.27%，增長(zhǎng)比較明顯；但當(dāng)液固體積質(zhì)量比超過(guò)10∶1后，As、Zn浸出率增長(zhǎng)趨緩。因此，最佳液固體積質(zhì)量比確定為10∶1。

圖4 液固體積質(zhì)量比對(duì)As、Zn浸出率的影響

Fig.4Effectofliquid-solidratioonleachingratesofAsandZn

2.4 浸出溫度對(duì)As、Zn浸出率的影響

浸出溫度升高有利于提高氧化反應(yīng)速度，進(jìn)而影響浸出率。在稀硫酸pH值2、浸出時(shí)間105 min、H2O2添加量1.75 mL/g(煙灰)、液固體積質(zhì)量比10∶1、攪拌速度705 r/min的條件下，浸出溫度對(duì)As、Zn浸出率的影響如圖5所示。

圖5 浸出溫度對(duì)As、Zn浸出率的影響

Fig.5EffectofleachingtemperatureonleachingratesofAsandZn

從圖5可以看出，當(dāng)浸出溫度從50 ℃升至80℃時(shí)，As、Zn浸出率分別由62.23%和55.49%提高到79.92%和74.36%，增長(zhǎng)比較明顯。但是隨著浸出溫度的升高，H2O2分解速度也加快，從而降低了溶液氧勢(shì)而不利于提高浸出率，采用硅膠膜密封后防止了氧氣逸散，在一定程度上對(duì)提高浸出率有利。綜合考慮反應(yīng)速度與H2O2分解速度，浸出溫度以80 ℃為宜。

2.5 攪拌速度對(duì)As、Zn浸出率的影響

提高礦漿攪拌速度可以使擴(kuò)散層的厚度減薄，從而加快元素浸出速度。在稀硫酸pH值2、浸出溫度80 ℃、浸出時(shí)間105 min、H2O2添加量1.75 mL/g(煙灰)、液固體積質(zhì)量比10∶1的條件下，攪拌速度對(duì)As、Zn浸出率的影響如圖6所示。

從圖6可以看出，攪拌速度由195 r/min增加到705r/min時(shí)，As、Zn元素浸出率分別由57.24%和55.35%提高到74.34%和83.67%，增長(zhǎng)比較明顯；但是進(jìn)一步提高攪拌速度，浸出率增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。這是由于煙灰粒度小，盡管提高攪拌速度能使擴(kuò)散層厚度減薄，但并不能完全消除擴(kuò)散層[9]，因此浸出率的增長(zhǎng)趨勢(shì)變緩。綜合考慮，最佳攪拌速度確定為705 r/min。

圖6 攪拌速度對(duì)As、Zn浸出率的影響

Fig.6EffectofagitationspeedonleachingratesofAsandZn

2.6 綜合擴(kuò)大試驗(yàn)

根據(jù)單因素試驗(yàn)結(jié)果，確定高砷煙塵酸性氧化浸出的最佳工藝條件為：浸出溫度80 ℃、H2O2添加量為1.75 mL/g(煙灰)、浸出時(shí)間105 min、液固體積質(zhì)量比為10∶1、攪拌速度705 r/min。在此條件下，經(jīng)10 kg擴(kuò)大驗(yàn)證試驗(yàn)可以得出，原料煙塵中As元素浸出率達(dá)78.25%，Zn元素浸出率達(dá)85.42%。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)高砷煙塵采用酸性氧化浸出工藝進(jìn)行脫砷提鋅是可行的，在浸出溫度80 ℃、浸出時(shí)間105 min、液固體積質(zhì)量比10∶1、H2O2添加量1.75 mL/g(煙灰)、攪拌速度705 r/min的條件下，As、Zn的元素浸出率分別達(dá)到78.25%和85.42%。本研究為銅冶煉企業(yè)采用石灰鐵鹽法進(jìn)行高砷煙塵除砷奠定了工藝基礎(chǔ)。

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