冶金廢水在超聲波作用下氫氧化鈉浸出過程的動力學研究

史博川，劉總兵

（東北大學設計研究院（有限公司），遼寧 沈陽 110000）

與火法冶金相比，濕法冶金過程中的溫度較低，化學反應速度及擴散速度相對較慢，因此很難達到平衡狀態，而目前在超聲波下對氫氧化鈉處理含砷的鋁工業廢水的浸出動力學研究未見報道，本文通過測定不同反應溫度下，溶液中砷濃度隨時間的變化情況，確定相關的動力學參數，對闡明反應機理、明確反應速率的限制環節，具有較大的實際意義。

超聲波在傳播過程中與介質相互作用，振幅和相位發生改變，使物質的一些化學、物理和生物狀態或特性發生改變，或是加速這種改變的進程，因而發生一系列效應，如化學、熱學、力學和生物效應等。超聲波是一種能量形式，它能夠引發新的反應通道或加快化學反應。

本論文以酸性含砷冶金廢液為研究對象，應用超聲波場的作用，選擇氫氧化鈉浸出砷，進而研究浸出過程中超聲波、反應溫度對浸出過程的動力學影響。

1 實驗原理

式中k為反應速率常數，T為熱力學溫度，R為氣體常數，Ea為反應的活化能，A為指前因子。

本實驗分別測定不同溫度下，反應體系中砷濃度隨反應時間的變化，得出初始反應速率隨時間的變化關系，根據所得結果，采用線性回歸的方法，確定反應級數，并計算得出相應的反應速率常數k。依公式（1），繪制的關系圖，可求得直線的斜率。再由直線的斜率和截距分別計算出反應的表觀活化能Ea和指前因子A，進而得到選擇性沉淀反應的動力學方程。

2 實驗步驟

根據前述實驗所得工藝條件，控制pH值13.5，攪拌強度600rpm，分別選取313.15K、323.15K、333.15K、343.15K、354.15K五個溫度，分別在有超聲波場作用和單獨機械攪拌作用下，將實驗所需藥品迅速均勻混合、調節pH并開始計時。取樣方法如下：取樣時間間隔為：2min、2min、5min、5min、10min、15min、15min、20min、20min、30min，一定時間用5ml移液管進行固液混合物的移取操作，快速用離心機進行固液分離。測定所得液體中砷的濃度，將所得結果進行處理，即得到反應體系中砷濃度隨時間變化的關系曲線。

3 結果與討論

不同溫度下反應體系中砷濃度隨時間的變化關系如圖1所示。由圖1可知，在反應初始階段，砷濃度與反應時間基本呈直線關系，當反應進行到20min～25min時，溶液中的砷濃度基本不再變化，可以認為反應基本達到平衡。

圖1 反應時間與溶液中砷濃度關系

在313K、323K、333K、343K、353K五個溫度下，0～600s的時間范圍內，砷濃度與反應時間的關系作圖得到圖2。

圖2 溶液中砷濃度與反應時間的關系

圖2可知，砷濃度與時間基本呈直線關系，可以將該沉淀反應看作是零反應，對于零級反應。

由式（2）計算得，溫度在313K、323K、333K、343K、353K五個溫度下，反應的k值分別為2.734×10-5、2.755×10-5、3.035×10-5、3.190×10-5、3.294×10-5，lnk 分別為-10.51、-10.49、-10.40、-10.35、-10.32。

圖3 lnk ～ 1/T×103關系圖

由直線斜率即得到反應速率常數k。采用線性回歸的方法得出圖2中不同溫度所對應的直線斜率，各條直線斜率即為對應溫度下反應的速率常數k。

相關系數由式（3）得ln A=-8.6849

(E/R)=0.5748×103

r=-0.98089

進而計算得到該反應的表觀活化能和指前因子分別為：

Ea=4.778k J/mol

A=1.6912×104

單獨機械攪拌作用下反應活化能為Ea=14.08k J/mol，而在超聲波作用下反應的活化能為Ea=4.778kJ/mol，與不加超聲波外場作用相比，超聲波作用降低了反應活化能，加速化學反應。

4 結論

本文研究了超聲波作用下氫氧化鈉選擇性沉淀砷反應動力學規律，得到如下結論。

（1）氫氧化鈉選擇性沉砷反應符合零級反應規律，反應的表觀活化能為：Ea=4.778kJ/mol

指前因子為：A=1.6912×104

（2）氫氧化鈉選擇性沉砷反應的動力學方程為：

僅機械攪拌作用下反應活化能為Ea=14.08 k J/mol，而在超聲波作用下反應的活化能為Ea=4.778 k J/mol，與不加超聲波外場作用相比，超聲波作用降低了反應活化能，加速化學反應。