王雨紅,呂艷,農(nóng)敬義,藍姿柳,蔣佳鸞,粟海鋒
(廣西大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院廣西高校資源化工應(yīng)用新技術(shù)重點實驗室,廣西 南寧 530004)
目前,國內(nèi)電解錳工業(yè)廣泛采用二氧化硒作為添加劑,可以顯著提高錳電解的電流效率,并具有良好的抗氧化效果[1]。每生產(chǎn)1 t電解錳需消耗 0.9~2.5 kg的二氧化硒[2],其中60.7%由產(chǎn)品帶走,22.3%進入陽極泥,17.0%隨錳陽極液帶走[3]。陽極液被送回錳礦浸出工序作為浸出劑循環(huán)使用,經(jīng)壓濾分離后,約85%的硒隨錳渣帶走損失掉,不僅造成硒資源的浪費,而且水溶態(tài)的硒酸鹽及亞硒酸鹽有劇毒,給周邊環(huán)境留下嚴(yán)重的污染隱患[4]。硒的價格昂貴,而中國是一個貧硒國家,硒產(chǎn)品絕大部分依賴于進口。國內(nèi)每年硒消費量約占全球總消費量的60%,其中電解錳行業(yè)是硒最大的需求領(lǐng)域。因此,研究電解錳陽極液中硒的脫除及回收具有重要的經(jīng)濟價值與環(huán)保意義。
近年來,研究溶液中硒的脫除方法主要包括還原沉淀、共沉淀、物理吸附、光催化還原、離子交換法、生化法、萃取法、電化學(xué)法等[5]。其中,共沉淀法適用于原水中的Se(Ⅳ)脫除,但經(jīng)沉淀后的物質(zhì)雜質(zhì)較多,對硒回收不利[6-7]。離子交換法、物理吸附法脫硒過程中,受硫酸根、氯離子及重金屬離子的影響大,且解吸出來的硒溶液濃度不高,缺乏回收價值[8-10]。生物法處理時間長,占地面積大[11-12]。電化學(xué)法、光催化還原法脫硒過程中設(shè)備投資大、能耗高[13-14]。在酸性條件中,還原性物質(zhì)如SO2、鐵粉、鋁粉、鈦粉、亞銅離子等,能夠把溶液中的硒酸鹽和亞硒酸鹽還原成單質(zhì)硒,再通過壓濾或者沉淀可回收硒[15-18]。Ling等[16]采用納米鐵粉處理水中的Se(Ⅳ),發(fā)現(xiàn)Se(Ⅳ)轉(zhuǎn)移與轉(zhuǎn)化過程經(jīng)擴散、還原、沉積及表面缺陷影響4個步驟,形成Se(Ⅱ)和Se(0)。Sivan等[19]研究了酸性條件下曝氣對鐵粉還原Se(Ⅵ)的作用機理,發(fā)現(xiàn)曝氣可以降低酸耗和污泥的產(chǎn)生量,提高硒的脫除率。Tang等[20]研究了Mn2+、Co2+對鐵粉還原浸出Se(Ⅵ)的促進作用,Se(Ⅳ)及Se(0)為主要產(chǎn)物。
電解錳陽極液成分復(fù)雜,溶液中含有一定量的硫酸、硫酸銨和硫酸錳等物質(zhì),且硒含量較低(約10 g·m-3),需處理的陽極液量也很大;同時,還要考慮在分離回收硒的過程中不能給陽極液的循環(huán)使用帶入難以脫除的雜質(zhì),以免影響電解錳的生產(chǎn)。因此,硒的回收難度較大。由于鐵粉具有較強的還原能力,且在脫硒過程中未反應(yīng)掉的鐵粉及Fe2+隨陽極液循環(huán)進入錳礦浸出工序能強化錳礦的浸出。因此,本研究采用鐵粉為還原劑脫除電解錳陽極液中的硒,通過考察攪拌速度、鐵粉用量、硫酸用量、反應(yīng)溫度及反應(yīng)時間等因素對硒脫除速率及鐵粉溶出率的影響,得到脫硒過程的動力學(xué)參數(shù),并通過XRD及SEM初步分析反應(yīng)機理,其研究結(jié)果可為錳陽極液中硒的回收利用提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。
實驗所用電解錳陽極液取自廣西大新某電解錳企業(yè),其化學(xué)成分見表1。在使用前,對樣品進行過濾去除固體雜質(zhì)。
表1 電解錳陽極液的化學(xué)組成 Table 1 Chemical composition of EM anolyte sample
還原鐵粉(Fe),粒徑為<0.15 mm,含鐵量大于98%;硫酸(H2SO4),分析純,廣東西隴化工有限公司;二氧化硒(SeO2),分析純,廣東西隴化工有限公司;其他試劑均為分析純,水為去離子水。
主要實驗儀器:Rigaku D/MAX2500 V型X射線衍射儀,日本理學(xué)公司;S-3400N掃描電子顯微鏡(SEM),日本日立公司;JP-303型極譜分析儀,成都儀器廠;S212恒速攪拌器,上海申順生物科技有限公司;DKB-501S超級恒溫水槽,上海精宏實驗設(shè)備有限公司;SHB-Ⅲ循環(huán)水式多用真空泵,鄭州長城科工貿(mào)有限公司;AB104-N電子分析天平,梅特勒-托利多儀器有限公司。
實驗裝置如圖1所示。包括超級恒溫水浴、變頻無級調(diào)速的機械攪拌漿。動力學(xué)實驗在置于水浴中的三口燒瓶中進行。三口燒瓶一側(cè)裝有冷凝管防止水分蒸發(fā),一口裝有溫度計及取樣器。
圖1 實驗裝置示意圖 Fig.1 Schematic diagram of experimental apparatus
溶液總硒含量采用極譜法測定[21];鐵含量采用鄰二氮雜菲光度法[21];硫酸濃度采用酸堿滴定法分析[21]。反應(yīng)后濾渣采用X射線多晶衍射儀(XRD)、掃描電鏡(SEM)分析顆粒形貌、粒度、物相組成。
動力學(xué)實驗在1000 ml三口燒瓶中進行,取500 ml電解錳陽極液及一定量的硫酸加入到三口燒瓶中,開啟攪拌裝置,待溶液溫度達到設(shè)定值后,加入一定量的還原鐵粉,開始計時,定期取樣分析,測定相應(yīng)時刻溶液總硒濃度CSe及總鐵濃度CFe,計算總硒脫除率ηSe及鐵的溶出率ηFe,其計算公式如式(1)所示。
式中,ηSe/Fe表示總硒脫除率或鐵的溶出率,%;表示硒或鐵的初始濃度,mg·L-1;CSe/Fe表示反應(yīng)到某一時刻溶液中硒或鐵的濃度,mg·L-1。
固定溫度為30℃,鐵粉用量100 mg·L-1,研究了不同攪拌速度對硒脫除率和鐵溶出率的影響,結(jié)果如圖2所示。
從圖中可以看出,隨著攪拌速度的增加,硒的脫除率及鐵溶出率不斷增加,當(dāng)攪拌速度在300~600 r·min-1時,兩者變化并不明顯。分析其原因,加大攪拌速度可以促進鐵粉的分散,減少與酸反應(yīng)而結(jié)塊的可能,增加了溶液中、與鐵粉接觸的機會,且增加攪拌強度,液相湍動強度增加,液膜減薄,傳質(zhì)速率增加,反應(yīng)加快。同時可以看出,硒的脫除反應(yīng)在前60 min基本完成,圖2 (b)中鐵粉溶出率以反應(yīng)至第60 min為界限,前60 min主要為鐵與及硫酸的競爭反應(yīng)為主,后期為鐵與硫酸反應(yīng)為主。而在硫酸濃度遠遠大于鐵粉理論反應(yīng)所需酸度的情況下,反應(yīng)120 min后鐵粉溶出率僅達到66%左右,可以推測鐵粉由于硒產(chǎn)物層的包裹而導(dǎo)致酸與鐵接觸不充分[16],導(dǎo)致溶出過程緩慢。綜上所述,為了消除外擴散的影響,攪拌速度選擇600 r·min-1。
圖2 攪拌速度對脫除過程的影響 Fig.2 Effect of stirring speed on removing process
固定攪拌速度為600 r·min-1,反應(yīng)溫度為 30℃,研究不同鐵粉用量下硒脫除率和鐵溶出率隨時間變化曲線,結(jié)果如圖3所示。從圖3中可以看 出,硒脫除率隨著鐵粉用量增加而增加,且當(dāng)鐵粉用量大于300 mg·L-1時,硒脫除率在很短時間內(nèi)(≤20 min)能達到90%以上,鐵粉用量為400 mg·L-1,反應(yīng)30 min硒脫除率達到100%。由于鐵粉脫除溶液中硒的反應(yīng)主要發(fā)生在鐵的表面[22],因此,增加鐵粉用量相當(dāng)于增大鐵的表面積,增大了溶液中、與鐵反應(yīng)的機會,因而硒的脫除率也就越高。圖3 (b)中鐵粉溶出率在鐵粉用量大于200 mg·L-1時變化不大,略有下降,在鐵粉用量為50 mg·L-1時,鐵粉溶出率較高,反應(yīng)120 min達到約76%左右,但繼續(xù)延長時間,鐵的溶出率不發(fā)生變化,可以推測鐵粉用量少時,結(jié)塊現(xiàn)象并不明顯,鐵的溶出率高。同時對各反應(yīng)時間點的Fe2+、Fe3+濃度進行檢測,發(fā)現(xiàn)反應(yīng)過程中Fe3+一直未被檢出,可以推斷該過程還原機理如式(2)~式(6)所示[16,18-19],少量生成的Fe3+被還原成Fe2+。
圖3 鐵粉用量對脫除過程的影響 Fig.3 Effect of dosage of Fe on removing process
固定攪拌速度為600 r·min-1,反應(yīng)溫度為 30℃,鐵粉用量100 mg·L-1。由于錳陽極液中硫酸濃度達到33.10 g·L-1,且含有13.56 g·L-1的錳離子,調(diào)低酸度會造成錳離子的沉降,帶走部分硒,導(dǎo)致結(jié)果不準(zhǔn)確,且陽極液在用于浸出錳礦時要將酸度提高到80 g·L-1[23],因此本研究主要考慮在錳陽極液本身酸度基礎(chǔ)上添加0~50 g·L-1硫酸,考察硫酸用量對硒脫除率、鐵溶出率影響及余酸隨時間變化,結(jié)果如圖4所示。
從圖4中可以看出,隨著硫酸用量的增加,硒的脫除率不斷下降,且鐵粉的溶出率也有所下降,然而通過檢測不同酸度條件下余酸濃度,發(fā)現(xiàn)余酸的消耗量基本一致,可以推測,由于硫酸的加入,鐵粉顆粒與硫酸分子接觸的機會增大,造成鐵粉表面出現(xiàn)局部鈍化現(xiàn)象,降低了其與、接觸的機會,從而導(dǎo)致硒的脫除率降低,鐵的溶出率略有下降。因此,在脫除錳陽極液中硒的過程中, 以不額外添加硫酸為宜。
圖4 硫酸用量對脫除過程的影響 Fig.4 Effect of concentration of sulphric acid on removing process
固定攪拌速度為600 r·min-1,鐵粉用量100 mg·L-1,研究不同反應(yīng)溫度下硒脫除率和鐵溶出率隨時間變化曲線,結(jié)果如圖5所示。
從圖5中可以看出,隨著溫度升高,硒的脫除速率加快,90℃反應(yīng)15 min,硒的脫除率達到90%以上,50 min時脫除率達到100%。通過觀察溶液顏色,發(fā)現(xiàn)溫度越高,溶液變紅的速率越快,90℃時迅速變成血紅色,進而轉(zhuǎn)變?yōu)榛液谏?0 min時又恢復(fù)回錳陽極液本身顏色,推測在此溫度下,生產(chǎn)的硒單質(zhì)由紅硒轉(zhuǎn)變?yōu)榛椅膱D5(b)可看出,90℃反應(yīng)60 min后,鐵的溶出率達到90.13%,這是因為反應(yīng)溫度的升高能夠增大體系的活化能,加快分子運動,增加分子碰撞機會,促進反應(yīng)的發(fā)生。同時,從圖5(b)中可以發(fā)現(xiàn),90℃反應(yīng)60 min后鐵的溶出率不發(fā)生改變,推測其可能被產(chǎn)物層包裹或與硒生成其他物質(zhì)而不被酸溶解。
圖5 溫度對脫除過程的影響 Fig.5 Effect of temperature on removing process
分別對30℃和90℃反應(yīng)180 min的固體產(chǎn)物進行XRD及SEM圖譜分析,結(jié)果見圖6和圖7。從 圖6(a)可知,在30℃反應(yīng)的固體產(chǎn)物晶型毛刺較多,存在Se、Fe、FeSe2、Fe2(SeO4)34種物相,圖7(a)中可以看到硒結(jié)晶形態(tài)為紡錘形的紅硒[24]。而90℃反應(yīng)的固體產(chǎn)物晶型發(fā)育較好,硒峰明顯增強,產(chǎn)物中只存在Se和FeSe2兩種物相,即錳陽極液中的硒還原成Se(Ⅰ)和Se(0)兩種形式[16],通過圖7(b)可以看出,硒結(jié)晶形態(tài)為球形的灰硒[15]。
由于鐵粉具有較大的表面積,吸附能力強,能夠在表面形成一層電解質(zhì)層,因此,其參與的置換反應(yīng)過程大多屬于擴散控制機理,假設(shè)動力學(xué)數(shù)據(jù)服從一級反應(yīng)速率規(guī)律,本實驗過程可用Ginstling-Brounshtein方程進行擬合[式(7)][25]。
式中,c(Se)表示反應(yīng)時間為t時Se的濃度,mol·L-1;c0(Se)表示Se的初始濃度,mol·L-1;x表示硒的脫除率;t表示反應(yīng)時間,min;D表示Se 的擴散系數(shù);s表示反應(yīng)物的表面積;V表示溶液的體積,ml;δ表示擴散層厚度,μm;k表示反應(yīng)速率常數(shù)。
圖6 固體產(chǎn)物的XRD譜圖 Fig.6 XRD patterns of solid product
圖7 固體產(chǎn)物的SEM圖譜 Fig.7 SEM graph of solid product
采用式(8)處理圖5中數(shù)據(jù),結(jié)果見圖8,其皆為直線關(guān)系,相關(guān)系數(shù)R2分別是0.994(30℃)、0.997(45℃)、0.993(60℃)、0.997(75℃)、0.999(90℃),說明式(8)能在一定程度上描述鐵粉置換錳陽極液中的硒的動力學(xué)過程,符合一級反應(yīng)速率規(guī)律。通過計算獲得相應(yīng)溫度的表觀速率常數(shù)k(各直線斜率)分別為0.05547、0.06075、0.07441、0.09539、0.16118,即k值隨著溫度的升高而增大,說明提高反應(yīng)溫度會加快硒的脫除速率。
圖8 不同溫度下硒脫除動力學(xué)數(shù)據(jù) Fig.8 Removing kinetics data of selenium at different temperature
將圖8中得到的不同溫度下浸出過程的表觀速率常數(shù)k,代入Arrhenius方程的對數(shù)形式中,得
以lnk與1/T作圖(圖9),分別擬合數(shù)據(jù),得到總錳浸出的方程為:ln k=-1 916.6/ T+ 3.3541,方程的相關(guān)系數(shù)為0.978,可求得硒脫除的表觀活化能Ea為15.94 kJ·mol-1。從活化能的數(shù)值來看,該反應(yīng)過程屬于擴散控制。
本文主要研究鐵粉還原脫除電解錳陽極液中硒的過程機理,在實驗范圍內(nèi),可得如下主要結(jié)論。
(1)加大攪拌速度可以有效地促進鐵粉的分散,減少與酸反應(yīng)而結(jié)塊的可能,消除反應(yīng)過程中液膜阻力,提高硒的脫除率,并能促進鐵的溶解。而隨著硒產(chǎn)物層的形成,將包裹未反應(yīng)的鐵粉,導(dǎo)致鐵粉溶出率僅66%左右。
圖9 lnk-1/T關(guān)系 Fig.9 Relationship between lnkand 1/T
(2)增大鐵粉用量可以顯著提高硒的脫除速率,使硒的脫除率在反應(yīng)30 min時即達到100%。但隨著鐵粉用量的增大,鐵粉的溶出率降低。反應(yīng)過程中并未檢測出Fe3+,可能是溶液中存在的Fe迅速將其還原為Fe2+。過多的硫酸將導(dǎo)致鐵粉表面局部鈍化,使硒的脫除率及鐵的溶出率均降低。
(3)提高反應(yīng)溫度能加快硒的脫除速率。不同的反應(yīng)溫度條件下生成的產(chǎn)物及結(jié)構(gòu)各不相同,低溫下以生成紡錘形的紅硒為主,從XRD可以發(fā)現(xiàn)仍有部分鐵粉沒有參加反應(yīng),而高溫下生成球形的灰硒,產(chǎn)品晶形發(fā)育較好,鐵的溶出率較高,反應(yīng)完成后的渣中鐵只以FeSe2形式存在,此時,陽極液中的硒還原成Se(Ⅰ)和Se(0)兩種形式。
(4)該反應(yīng)過程受固體產(chǎn)物層擴散控制,動力學(xué)過程符合一級反應(yīng)速率規(guī)律,表觀活化能為15.94 kJ·mol-1。
符 號 說 明
CSe/Fe——反應(yīng)到某一時刻溶液中硒或鐵的濃度,mg·L-1
c(Se)——反應(yīng)時間為t時Se的濃度,mol·L-1
c0(Se)——Se的初始濃度,mol·L-1
D——Se的擴散系數(shù)
Ea——表觀活化能,kJ·mol-1
k——反應(yīng)速率常數(shù)
S——反應(yīng)物的表面積
T——熱力學(xué)溫度,K
t——反應(yīng)時間,min
V ——溶液的體積,ml
x ——硒的脫除率,%
δ ——擴散層厚度,μm
ηSe/Fe——總硒脫除率或鐵的溶出率,%
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