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        從高砷鉛陽極泥中回收As2O3試驗研究

        2021-12-09 05:05:30彭情亮張旭泳
        濕法冶金 2021年6期
        關鍵詞:陽極泥還原劑結晶

        彭情亮,張旭泳

        (江西銅業(yè)技術研究院有限公司,江西南昌 330096)

        鉛電解陽極泥中含有鉛、銻、砷、鉍、銅、金、銀等有價元素,是重要的二次資源[1-2]。從鉛陽極泥中綜合回收有價金屬時,雜質砷的存在會對操作環(huán)境造成污染,還會影響所回收產品質量[3],因此,在回收有價金屬之前,有必要對鉛陽極泥進行脫砷預處理。從鉛陽極泥中預處理脫砷,目前現(xiàn)有工藝主要有火法工藝、濕法工藝和火法-濕法聯(lián)合工藝[4-6]?;鸱撋橹饕袚]發(fā)焙燒法、還原焙燒法、熔煉法及水蒸氣焙燒脫砷法?;鸱üに囕^為成熟,適應性強,流程簡單,但是存在脫砷率低、環(huán)境污染嚴重的缺點[7-8]。用濕法處理高砷鉛陽極泥,砷能得到有效脫除。目前主要工藝有酸浸、堿浸、氯化等[9-13]。濕法工藝砷脫除率高,但會產生大量浸出液,且存在流程長、工序多、砷及其他有價元素回收復雜等缺點?;鸱?濕法聯(lián)合工藝主要是蘇打燒結—水浸脫砷,該工藝可以實現(xiàn)砷和其他有價金屬的高效分離,但添加劑消耗量大,成本過高[14]。將砷從鉛陽極泥中脫除只是處理砷的第一步,要徹底解決脫砷問題,就要將砷轉化為可利用的產品或對環(huán)境無害的形態(tài)。試驗研究了采用堿性加壓浸出工藝將鉛陽極泥中的砷浸出到溶液中,然后從浸出液中回收三氧化二砷,從而有效實現(xiàn)鉛鋅冶煉系統(tǒng)中砷的開路,也將砷轉化為可利用的三氧化二砷。

        1 試驗部分

        1.1 試驗原料與試劑

        試驗原料:鉛陽極泥取自某鉛冶煉廠,自然堆存5~10 d,粉碎至粒徑-100目,化學成分見表1,XRD物相分析結果如圖1所示。鉛陽極泥的XRD圖譜中只出現(xiàn)Bi2O3和Ag3Sb的特征衍射峰,這可能是其他元素為非晶質形態(tài)的緣故。

        表1 鉛陽極泥的化學組成 %

        圖1 鉛陽極泥的XRD圖譜

        試驗試劑:氫氧化鈉、亞硫酸鈉、硫酸,均為分析純。

        1.2 試驗設備

        GJ-4B型密封化驗制樣粉碎機,GS-5型加壓釜(5 L),SHB-ⅢA型循環(huán)水式真空泵,KH-55A型電熱鼓風干燥箱,萬用電爐,PH-3S型酸度計。

        1.3 試驗原理與方法

        式中,M表示Pb、Cu、Ag等金屬離子。

        As2O3還原沉淀:浸出液中加亞硫酸鹽或二氧化硫進行還原,酸性條件下,五價砷被還原為三價砷;As2O3在酸性溶液中溶解度較低,通過蒸發(fā)濃縮即可結晶析出。涉及的主要反應如下:

        試驗步驟:1)稱取一定量鉛陽極泥、氫氧化鈉放入燒杯,加水調漿后加入到反應釜中,擰緊螺母,打開升溫開關、循環(huán)冷卻水及機械攪拌槳,并通入壓縮空氣,控制出口氣流以防止帶出料漿;2)待釜內溫度升至設定溫度時開始計時,保溫一定時間后停止加熱,冷卻至釜內溫度為50 ℃后,關閉壓縮空氣;釜內壓力歸零后,打開,將料漿倒入燒杯并進行液固分離;3)量取500 mL濾液,置于電爐上加熱,控制加熱時間,待溶液體積減少為原來的1/3時停止加熱,取下燒杯自然冷卻至室溫;4)對冷卻后的溶液進行固液分離,固體即為砷酸鈉;5)砷酸鈉固體用水溶解,然后用硫酸調pH至一定范圍,加入一定量還原劑亞硫酸鈉,置于電爐上加熱蒸發(fā),待溶液體積減少至原來的1/4時停止加熱,取下自然冷卻并進行液固分離,固體烘干后,檢測成分,分析物相。

        2 試驗結果與討論

        2.1 鉛陽極泥的堿性加壓浸出

        鉛陽極泥質量400 g,按試驗設計的液固體積質量比與一定濃度NaOH溶液在加壓釜中混合,攪拌升溫,通壓縮空氣至1.20 MPa。反應一定時間后停止加熱,釜體用冷卻水冷卻至70 ℃以下后出料并進行液固分離。

        選定4因素3水平設計正交試驗方案,考察液固體積質量比、NaOH質量濃度、反應溫度、反應時間對砷浸出率的影響。正交試驗因素、水平及結果見表2。

        表2 正交試驗因素、水平及結果

        最優(yōu)試驗條件應為A3B3C3D3,但從成本角度考慮,不一定要選擇最好水平。由表2看出:A3B1C3D2條件下,As浸出率最高。根據(jù)極差,各因素對試驗結果的影響由大到小依次為A→D→C→B。

        最優(yōu)浸出條件為液固體積質量比10/1,NaOH質量濃度30 g/L,溫度90 ℃,反應時間1.0 h。 最優(yōu)條件下進行4組重復性試驗,結果見表3。可以看出:采用加壓氧化堿浸,砷浸出率在87%以上,其他金屬幾乎不被浸出或浸出率很低,有效實現(xiàn)了砷與其他有價金屬的分離。

        表3 最優(yōu)條件下的綜合試驗結果

        2.2 浸出液中砷酸鈉的結晶

        取表3浸出液500 mL,在電爐上加熱蒸發(fā),濃縮體積對砷酸鈉結晶率的影響試驗結果見表4。

        表4 砷酸鈉蒸發(fā)結晶試驗結果

        由表4看出:隨溶液蒸發(fā),砷結晶率逐漸升高??紤]到蒸發(fā)結晶成本,溶液體積蒸發(fā)至原體積的1/3即可,此時浸出液中89%的砷以砷酸鈉形式結晶析出。砷酸鈉成分見表5。結晶母液中砷質量濃度4.035 g/L,NaOH質量濃度23 g/L,補充水和NaOH后返回浸出。

        表5 結晶析出的砷酸鈉成分 %

        2.3 砷酸鈉溶解還原制備三氧化二砷

        取蒸發(fā)結晶所得砷酸鈉50 g,用500 mL水溶解,調溶解液pH并加還原劑亞硫酸鈉,再蒸發(fā)濃縮結晶三氧化二砷。

        2.3.1 溶液初始pH的影響

        控制還原劑亞硫酸鈉加入量為理論加入量的1.5倍,常溫下還原反應3.0 h,低溫蒸發(fā)濃縮至原體積的1/4,再冷卻至常溫結晶4.0 h。溶液初始pH對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果如圖2所示??梢钥闯觯寒a物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率隨pH升高而降低;pH=0時,產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率均達最大。但pH越低,所需硫酸的量就越大,綜合考慮生產成本,控制溶液初始pH為1.0即可,此時產物中As2O3質量分數(shù)為88.24%,As沉淀率為80.34%。

        圖2 溶液初始pH對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        2.3.2 還原劑加入量的影響

        控制溶液初始pH=1.0,其他條件及操作方式不變,還原劑加入量(理論加入量倍數(shù))對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果如圖3所示??梢钥闯觯弘S還原劑亞硫酸鈉加入量增加,產物中As2O3質量分數(shù)和As沉淀率均呈先升高后下降趨勢。還原劑加入量過大,溶液中的其他雜質也會被還原并隨As2O3一同沉淀,導致As2O3純度下降。還原劑加入量為理論加入量的2.0倍時,產物中As2O3質量分數(shù)和As沉淀率都達到最大,分別為91.25%和81.14%。因此,確定適宜的還原劑加入量為理論加入量的2.0倍。

        圖3 還原劑加入量對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        2.3.3 反應時間的影響

        控制溶液初始pH=1.0,亞硫酸鈉加入量為理論加入量的2.0倍,其他條件及操作方式不變,反應時間對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果如圖4所示。

        圖4 反應時間對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        由圖4看出:反應時間對產物中As2O3質量分數(shù)的影響呈先升高后下降趨勢,而As沉淀率逐漸升高;反應3.0 h后,產物As2O3純度及As沉淀率都趨于穩(wěn)定,此時產物中As2O3質量分數(shù)為92.13%,As沉淀率為81.65%。

        2.3.4 反應溫度的影響

        其他反應條件不變,反應溫度對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果如圖5所示??梢钥闯觯弘S反應溫度升高,產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率都下降。亞硫酸根還原五價砷的反應為放熱反應,升高溫度對產物生成不利,因此,還原反應以在常溫下進行為宜。

        圖5 反應溫度對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        2.3.5 溶液濃縮后體積的影響

        其他條件不變,溶液濃縮后體積對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果見表6。

        表6 溶液濃縮后體積對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        由表6看出:隨濃縮后液體積減小,產物中As2O3質量分數(shù)逐漸降低,As沉淀率逐漸增大。濃縮后液體積過小,會導致溶液中其他雜質也隨As2O3一同析出,從而降低產物純度。綜合考慮,溶液體積以濃縮至原來的1/4較為適宜。

        2.3.6 冷卻結晶時間的影響

        其他條件不變,冷卻結晶時間對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響試驗結果見表7。

        表7 冷卻結晶時間對產物中As2O3質量分數(shù)及As沉淀率的影響

        由表7看出:隨結晶時間延長,產物中As2O3質量分數(shù)變化不大,但As沉淀率逐漸提高;結晶時間以4.0 h為宜。

        2.3.7 綜合試驗

        根據(jù)條件試驗結果,在溶液初始pH=1.0、還原劑加入量為理論加入量的2.0倍、常溫下反應3.0 h、溶液濃縮后體積為初始體積的1/4、常溫下冷卻結晶4.0 h條件下,進行放大試驗。砷酸鈉質量200 g,經還原、蒸發(fā)結晶、熱水洗滌、干燥制備,得63.2 g As2O3,其成分見表8,As2O3純度達99.16%,As沉淀率達83.58%。XRD衍射分析結果(圖6)表明,產物中主要物相為As2O3,質量達到GB 26721—2011二級品標準要求。

        表8 As2O3產品的成分 %

        圖6 As2O3產品的XRD圖譜

        3 結論

        采用堿性加壓浸出工藝從鉛陽極泥中脫除砷是可行的,適宜條件下,砷脫除率可達87.18%,鉛及其他金屬元素浸出率很低或不被浸出。堿性浸出液通過蒸發(fā),可將89.51%的砷以砷酸鈉形式結晶出來。結晶的砷酸鈉用稀硫酸溶液重新溶解再結晶后可得高純度As2O3,適宜條件下,As2O3純度達99.16%,符合GB 26721—2011二級品標準要求。

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