無氰金鹽亞硫酸金鈉中氯離子的脫除研究
2023-06-02 02:21:53唐定
黃金 2023年3期
唐定
摘要：亞硫酸金鈉是無氰電鍍金主要使用的金鹽，但有關亞硫酸金鈉中氯離子的脫除與含量控制還未有報道。試驗制備了亞硫酸金鈉溶液，并開展了氫氧化金中氯離子吸附行為和脫除研究。利用去離子水充分洗滌氫氧化金沉淀至濾液中滴加硝酸銀無白色沉淀，制得的50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量濃度在220 mg/L左右。通過吸附等溫曲線擬合，氫氧化金對氯離子的吸附更加符合Langmuir吸附模型，吸附反應吉布斯自由能ΔG為-18.4 kJ/mol，氯離子吸附主要為物理吸附。采用乙醇反溶劑沉淀可以進一步脫除亞硫酸金鈉中的氯離子，單次反溶劑沉淀氯離子脫除率約為43 %，經3次反溶劑沉淀后可以使50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量濃度降低至40 mg/L。研究結果可以為提高無氰金鹽亞硫酸金鈉產品質量提供一定的理論和技術指導。
關鍵詞：亞硫酸金鈉；氯離子；吸附模型；反溶劑沉淀；無氰電鍍
中圖分類號：TQ153文獻標志碼：A開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：
文章編號：1001-1277（2023）03-0093-04doi：10.11792/hj20230318
引 言
電鍍金在首飾、電子元器件等制造中有著廣泛的應用［1］。傳統電鍍金工藝采用的是氰化物體系，然而由于劇毒氰化物會對操作人員的生命健康、環境及社會安全造成嚴重威脅，同時存在電鍍液中游離氰離子（CN-）會腐蝕電子工業中需要用到的光刻膠問題［2-4］，因而無氰電鍍金工藝得到了廣泛的開發研究。在各類無氰電鍍金體系中，亞硫酸鹽電鍍金具有金鍍層光亮平整、均鍍能力好、電流效率高等優點［5］，目前已逐漸得到了實際生產應用。
亞硫酸金鈉是亞硫酸鹽電鍍金體系主要使用的金鹽，其制備過程一般包括王水（V硝酸∶V鹽酸=1∶3）溶金、氫氧化金（Au（OH）3）或者雷酸金（Au2O3·3NH3）沉淀、亞硫酸鈉絡合等步驟［6］。通常，在沉淀和絡合2個反應步驟之間，需要對沉淀進行充分的洗滌去除氯離子（Cl-），從而減少亞硫酸金鈉中氯離子的含量。需要指出的是，電鍍液中氯離子濃度是一個重要的工藝因素，因為它直接影響金屬鍍層的質量［7］。此外，在實際電鍍生產過程中往往需要通過不斷補充金鹽來延長電鍍液的使用時間?；谏鲜?點，掌握控制亞硫酸金鈉中氯離子含量的方法具有重要意義。至今，有關亞硫酸金鈉中氯離子的脫除研究還未見報道。
本文采用王水、氯酸鈉+鹽酸2種方式溶金，再經氫氧化金沉淀和亞硫酸鈉絡合的工藝路線制備亞硫酸金鈉溶液。首先研究了充分洗滌條件下亞硫酸金鈉溶液中氯離子的含量情況，接著分析了氯離子在氫氧化金沉淀上的吸附行為，然后利用乙醇反溶劑沉淀法進一步脫除亞硫酸金鈉中的氯離子，最終制備得到了氯離子質量濃度低至40 mg/L的亞硫酸金鈉溶液（按Au計，50 g/L）。
1 實驗部分
1.1 試劑與儀器
試劑：高純金（w（Au）≥99.999 %）；亞硫酸鈉（Na2SO3）、氯酸鈉（NaClO3）、氫氧化鈉（NaOH）、鹽酸（HCl）、硝酸（HNO3）、硫酸（H2SO4）、硝酸銀（AgNO3），試劑均為試劑純。
儀器：DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，H2500R高速臺式離心機，Five Easy Plus pH計（瑞士梅特勒-托利多），SPECTRO GREEN SOP電感耦合等離子體發射光譜儀（ICP-OES，德國斯派克），PinAAcle 900F原子吸收光譜儀（AAS，美國PE）。
1.2 實驗方法
亞硫酸金鈉制備工藝流程如圖1所示。稱取2 g高純金置于250 mL圓底燒瓶中，加入適量的王水或氯酸鈉+鹽酸，在80 ℃油浴中攪拌至完全溶解。待溫度降至50 ℃并保溫，向溶液中加入氫氧化鈉調節pH值至8.0左右生成Au（OH）3沉淀，不斷攪拌反應5 h。然后，抽濾得到Au（OH）3沉淀，利用60 ℃去離子水對Au（OH）3進行洗滌。為了研究氯離子在Au（OH）3中的吸附行為，每次取200 mL去離子水，與Au（OH）3充分攪拌洗滌10 min，抽濾得到固體和濾液。如此反復5次，收集5次濾液進行氯離子含量測定。經過5次攪拌洗滌后，繼續對Au（OH）3洗滌至濾液滴加硝酸銀無白色沉淀為止。最后，將Au（OH）3逐步加入亞硫酸鈉溶液中進行絡合反應，在50 ℃下不斷攪拌，同時控制溶液pH值在8.5左右，最終得到無色透明溶液，即為亞硫酸金鈉溶液，控制Au質量濃度為50 g/L。
利用乙醇反溶劑沉淀脫除亞硫酸金鈉溶液中的氯離子，步驟如下：取4 mL亞硫酸金鈉溶液，加入16 mL無水乙醇，析出黃色亞硫酸金鈉固體。離心后分別得到亞硫酸金鈉固體和透明溶液。將亞硫酸金鈉固體溶解于4 mL去離子水中，再次加入16 mL無水乙醇，離心分離得到固體和溶液。如此反復3次，收集3次離心得到的溶液進行氯離子含量測定。將固體溶解于去離子水中制得50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液。
參考DZ/T 0064.50—2021 《地下水質分析方法第50部分：氯化物的測定 銀量滴定法》，采用銀量滴定法測定亞硫酸金鈉溶液和濾液中氯離子含量，并以已知濃度氯化鈉溶液檢驗滴定方法的可靠性。利用ICP-OES對亞硫酸金鈉溶液進行雜質元素含量分析，AAS分析亞硫酸金鈉溶液中金含量。
2 結果與討論
2.1 洗滌對氯離子去除效果
工業上，常見的溶金試劑為王水和氯酸鈉+鹽酸，均會向體系中引入大量的氯離子。以向洗滌濾液中滴加硝酸銀無白色沉淀為終點，探究了充分洗滌對氯離子的去除效果，結果如表1所示。從表1可以看出：采用王水和氯酸鈉+鹽酸2種溶金方式，最終得到亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量濃度都在220 mg/L左右。AgCl的溶度積Ksp=1.77×10-10（25 ℃），對應氯離子質量濃度為0.472 mg/L。由此可以判斷，部分氯離子吸附在Au（OH）3沉淀中很難被洗滌脫除。此外，采用本工藝路線制備亞硫酸金鈉的產率約為81 %。
2.2 氯離子吸附等溫線
Au（OH）3吸附氯離子的等溫吸附曲線如圖2所示。Au（OH）3對氯離子的吸附量隨溶液中平衡濃度的升高而增大。吸附等溫曲線可以用Langmuir吸附模型和Freundlich吸附模型進行非線性擬合［8］。
Langmuir吸附模型：
式中：qe為吸附達到平衡時Au（OH）3中氯離子吸附量（mg/g）；qm為飽和吸附量（mg/g）；KL為Langmuir等溫吸附平衡常數（L/mg）；ρe為吸附平衡時溶液中氯離子質量濃度（mg/L）。
Freundlich吸附模型：
式中：KF為Freundlich等溫吸附平衡常數（L/g）；1/n為與吸附強度有關的量綱為1的系數。
Langmuir和Freundlich吸附模型的線性方程分別為：
Langmuir和Freundlich線性方程擬合曲線如圖3所示，擬合參數如表2所示。由表2可知：Langmuir線性方程擬合曲線的R2大于0.99，能夠更好地描述Au（OH）3對氯離子的吸附過程，由該方程計算出的氯離子飽和吸附量為25.90 mg/g。另外，Freundlich吸附模型下，當0.1<1/n<1.0時表示易于吸附，而當1/n>2.0時表示難以吸附［9］。由表2數據可知，1/n為0.394，表明Au（OH）3對氯離子的吸附容易進行。
Langmuir等溫吸附平衡常數KL和標準平衡常數K0之間的關系［10］為：
式中：MA為氯的摩爾質量（g/mol）；c0為標準濃度，1 mol/L。
由此，通過Van′t Hoff方程（見式（6））可以求得氯離子吸附反應的吉布斯自由能ΔG為-18.4 kJ/mol。通常認為，物理吸附吉布斯自由能為-20～0 kJ/mol，而化學吸附吉布斯自由能為-400～-80 kJ/mol［11］。因此，可以認為氯離子在Au（OH）3中的吸附方式以物理吸附為主。
式中：R為理想氣體常數，8.314 J/mol·K；T為開爾文溫度（K）。
2.3 乙醇反溶劑沉淀
以向洗滌濾液中滴加硝酸銀無白色沉淀為終點，制得的50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量濃度仍高達220 mg/L左右。為了降低氯離子含量，采用乙醇反溶劑沉淀法對亞硫酸金鈉中氯離子進一步脫除。向亞硫酸金鈉溶液中加入乙醇，會析出黃色亞硫酸金鈉固體（如圖4所示），一部分氯離子因留在溶液中而被分離去除，從而達到進一步脫除氯離子的目的。
繪制了反溶劑沉淀單次氯離子脫除率及累計氯離子脫除率，如圖5所示。從圖5可以看出：單次反溶劑沉淀氯離子脫除率約為43 %。經3次反溶劑沉淀后，氯離子累計脫除率達到82 %。此時，50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量濃度可以降低至40 mg/L左右（如表4所示）。另外，亞硫酸金鈉溶液中金屬雜質元素質量濃度均在1 mg/L以下。
3 結 論
采用王水或氯酸鈉+鹽酸溶金，通過氫氧化金沉淀和亞硫酸鈉絡合工藝制備了亞硫酸金鈉溶液，開展了氯離子吸附行為及脫除研究。
1）用去離子水充分洗滌Au（OH）3沉淀，以向洗滌濾液中滴加硝酸銀無白色沉淀為終點，制得的50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液中氯離子質量在220 mg/L左右。
2）Au（OH）3對氯離子的吸附過程更加符合Langmuir吸附模型，吸附反應的吉布斯自由能ΔG為-18.4 kJ/mol，以物理吸附為主。
3）向亞硫酸金鈉溶液中加入乙醇可以反溶劑沉淀析出亞硫酸金鈉固體，達到進一步脫除氯離子的效果。單次反溶劑沉淀氯離子脫除率約為43 %，經3次反溶劑沉淀后氯離子累計脫除率達到82 %，得到氯離子質量濃度低至40 mg/L的50 g/L（按Au計）亞硫酸金鈉溶液。
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Study on removal of chlorine ions from cyanide-free gold salt sodium gold sulfite
Tang Ding1，2，3
（1.State Key Laboratory of Comprehensive Utilization of Low-grade Refractory Gold Ores;
2.Zijin School of Geology and Mining，Fuzhou University;
3.Zijin Mining Group Co.，Ltd.）
Abstract：Sodium gold sulfite is a major gold salt used in cyanide-free gold electroplating，but there is no report on the removal and control of chlorine ions in sodium gold sulfite.Sodium gold sulfite solution was prepared in tests，and the adsorption behavior and removal of chlorine ions in gold hydroxide were studied.The gold hydroxide was fully washed with deionized water until no white precipitate was observed when silver nitrate was added to the filtrate.The mass concentration of chlorine ions in the 50 g/L （calculated according to Au） sodium gold sulfite solution prepared was about 220 mg/L.Through the adsorption isotherm curve fitting，the adsorption of chlorine ions by gold hydroxide was fitter into the Langmuir adsorption model.The Gibbs free energy of the adsorption reaction was -18.4 kJ/mol，indicating that the adsorption of chlorine ions was mainly physical adsorption.The chlorine ions in sodium gold sulfite could be further removed by ethanol antisolvent precipitation.The removal rate of chlorine ions by single antisolvent precipitation was about 43 %.After 3 times of antisolvent precipitation，the mass concentration of chlorine ions in the 50 g/L （calculated according to Au） sodium gold sulfite solution was reduced to 40 mg/L.The results of this paper could provide certain theoretical and technical guidance for improving the quality of sodium gold sulfite product，a cyanide-free gold salt.
Keywords：sodium gold sulfite;chlorine ions;adsorption model;antisolvent precipitation;cyanide-free electroplating
