基于Box-Behnken 設(shè)計(jì)優(yōu)化白銀爐電收塵脫砷工藝①

魏曉玲， 王曉陽， 方紅生， 李慧穎， 王文祥

（1.白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦冶工程系，甘肅白銀730900；2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，廣東 佛山528216；3.廣東省固體廢棄物資源化與重金屬污染控制工程技術(shù)研究中心，廣東佛山528216）

有色金屬精礦中的砷在高溫冶煉過程中大部分揮發(fā)進(jìn)入煙氣［1］，與鉛、銻、鋅等元素碰撞吸附，形成粒度微細(xì)、價(jià)態(tài)和成分復(fù)雜的高砷煙塵，最后在收塵系統(tǒng)被收集［2］。 其中除砷之外還含有大量的銅、鉛、鋅和銀等有價(jià)金屬，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 含砷煙塵常用的脫砷方法有火法焙燒、濕法浸出以及火法-濕法聯(lián)用等［3-8］。 采用本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低溫堿性焙燒-熱水浸出工藝［9-11］，從白銀爐電收塵（EPD）中選擇性分離砷，并利用響應(yīng)曲面法的Box-Behnken 設(shè)計(jì)對(duì)焙燒條件進(jìn)行優(yōu)化［12］。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料取自國內(nèi)某銅業(yè)公司的白銀爐電收塵（EPD），其主要化學(xué)成分見表1。 采用掃描電鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）對(duì)EPD 進(jìn)行微觀形貌和物相分析，結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可以看出，EPD顆粒粒徑較小且分布不均，夾雜有較大的結(jié)晶體；EPD物相較為復(fù)雜，砷主要以三氧化二砷、砷硫氧化物和副羥砷鋅石等形式存在。

表1 白銀爐電收塵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

圖1 白銀爐電收塵SEM 和XRD 圖譜

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與試劑

實(shí)驗(yàn)裝置：馬弗爐，數(shù)顯恒溫水浴鍋，電子天平，微波消解儀，數(shù)顯攪拌器，坩堝，250 mL 燒杯若干等。

實(shí)驗(yàn)試劑：碳酸鈉，鹽酸，硝酸，氫氟酸，均為分析純；砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（基準(zhǔn)試劑）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

采用低溫堿性焙燒-熱水浸出工藝處理EPD。 稱取原料與一定配比的碳酸鈉（碳酸鈉與原料的質(zhì)量比稱為堿料比），均勻混合后在馬弗爐中恒溫焙燒一段時(shí)間。 經(jīng)冷卻、破碎后恒溫?cái)嚢杞觯鰲l件固定為：浸出液固比5 ∶1，浸出溫度60 ℃，浸出時(shí)間2 h。浸出后過濾得含砷濾液，檢測其中砷濃度，計(jì)算砷浸出率［13］。

EPD 原料及其浸出渣的物相、微觀形貌、成分分別采用XRD、SEM、X 射線熒光光譜（XRF）和化學(xué)分析法檢測，含砷濾液中砷的濃度采用ICP-OES 測定。采用Stat-Ease 公司的軟件Design-Expert（8.0.5）進(jìn)行響應(yīng)曲面的繪制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焙燒單因素實(shí)驗(yàn)

固定焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿料比對(duì)EPD 中砷浸出率的影響如圖2 所示。 從圖2 可知，砷浸出率隨著堿料比增加而逐漸提高。 當(dāng)堿料比小于0.8 時(shí)，砷浸出率隨堿料比增加而快速提高；繼續(xù)增大堿料比，砷浸出率有所提高但增幅較小；當(dāng)堿料比為1.2 時(shí)，砷浸出率達(dá)到90.83%。 而隨著堿料比變化，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。 故選擇最優(yōu)堿料比為1.2。

圖2 焙燒堿料比對(duì)EPD 中砷浸出率的影響

堿料比1.2，焙燒時(shí)間2 h，焙燒溫度對(duì)EPD 中砷浸出率的影響如圖3 所示。 由圖3 可知，砷浸出率首先隨焙燒溫度提高呈上升趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，浸出率達(dá)到最大，繼續(xù)升溫砷浸出率不再增加。 因此，選擇600 ℃為最優(yōu)溫度，此時(shí)砷浸出率達(dá)到90.59%，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。

堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間對(duì)EPD 中砷浸出率的影響如圖4 所示。 由圖4 可知，焙燒時(shí)間短于1 h 時(shí)，砷浸出率隨焙燒時(shí)間延長而快速提高；焙燒時(shí)間長于1 h，砷浸出率隨焙燒時(shí)間延長有所提高但增幅明顯減弱；當(dāng)焙燒時(shí)間為3 h 時(shí)，砷浸出率達(dá)到93.25%。 但焙燒時(shí)間越長能耗越高，綜合考慮能耗與砷浸出率之間的關(guān)系，選擇2 h 為最優(yōu)焙燒時(shí)間，此時(shí)砷浸出率為90.86%，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。

圖3 焙燒溫度對(duì)EPD 中砷浸出率的影響

圖4 焙燒時(shí)間對(duì)EPD 中砷浸出率的影響

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化

圖5 為堿料比、焙燒溫度對(duì)砷浸出率的響應(yīng)曲面及其等值線圖。 從圖5 可以看出，隨著焙燒過程中堿料比及焙燒溫度的增大，砷浸出率均提高，且整個(gè)響應(yīng)曲面呈類似凸面體。 但焙燒溫度相較于堿料比的上升曲線更陡，說明焙燒溫度較堿料比對(duì)砷浸出率的影響更大，曲面整體呈斜坡向上，說明堿料比與焙燒溫度的交互作用對(duì)砷浸出率的影響顯著。 圖6、圖7 分別為堿料比與焙燒時(shí)間、焙燒溫度與焙燒時(shí)間對(duì)砷浸出率的響應(yīng)曲面及其等值線圖。 焙燒溫度與焙燒時(shí)間和堿料比與焙燒時(shí)間的響應(yīng)曲面均呈類似凸面體，表明其交互作用相似。 圖6 中，隨著堿料比及焙燒時(shí)間增大和延長，砷浸出率提高。 圖7 中，隨著焙燒溫度及焙燒時(shí)間增大和延長，砷浸出率提高。

圖5 堿料比和焙燒溫度對(duì)砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

圖6 堿料比和焙燒時(shí)間對(duì)砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

由圖5 ～7 可知，增大堿料比、提高焙燒溫度和延長反應(yīng)時(shí)間均能提高白銀爐電收塵中砷浸出率，尤其是提高焙燒溫度。 綜合考慮處理成本及各因素之間的交互作用對(duì)白銀爐電收塵中砷浸出效率的影響，優(yōu)化最佳焙燒條件為：堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間1.63 h，為方便操作，焙燒時(shí)間取整為2 h。 在此條件下砷浸出率期望值達(dá)到91.61%。 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在堿料比為1.2、焙燒溫度600 ℃、焙燒時(shí)間2 h條件下得到的EPD 中砷浸出率結(jié)果分別為90.83%、90.59%和90.86%，平均值90.76%，與預(yù)測值91.61%接近，相對(duì)誤差僅0.93%，表明優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖7 焙燒溫度和焙燒時(shí)間對(duì)砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

2.3 EPD 脫砷渣分析

取優(yōu)化條件下所得EPD 脫砷渣進(jìn)行微觀形貌和物相分析，結(jié)果見圖8。 SEM 圖譜顯示，脫砷渣呈現(xiàn)出形貌較為均一的松散結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)晶體。 XRD圖譜顯示，EPD 脫砷渣中無明顯的三氧化二砷峰或砷化合物的峰，主要物相有硫酸鉛和銅、鉛、鋅等金屬的氧化物等。 證明白銀爐電收塵經(jīng)過低溫堿性焙燒-浸出后，絕大部分砷被選擇性脫除，脫砷渣則主要是鉛、銅、鋅等有價(jià)金屬富集物，可直接返回熔煉系統(tǒng)回收。

3 結(jié) 論

通過考察焙燒過程中堿料比、焙燒溫度、焙燒時(shí)間對(duì)砷浸出率的影響，結(jié)合響應(yīng)曲面法的Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)，證明3 個(gè)因素對(duì)EPD 中砷浸出率均有影響，其中焙燒溫度對(duì)砷浸出率的影響最大。 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Box-Behnken 設(shè)計(jì)優(yōu)化后最終得到的焙燒條件為：堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間2 h，此時(shí)在設(shè)定的浸出條件下，EPD 中砷浸出率為90.76%，與Box-Behnken 設(shè)計(jì)所得期望值91.61%相近，誤差僅0.93%，表明該優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性與可靠性。 在此過程中鉛、鋅、銅、鉍均不浸出，富集在浸出渣中得以綜合回收。

圖8 EPD 脫砷渣的SEM 和XRD 圖譜