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酸性废水中 As(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)与铁粉的反应行为 ① 郑帅飞, 宋卫锋, 何如民, 胡元娟, 唐瑜钟, 覃吉善 (深圳市深投环保科技有限公司,广东 深圳 518049) 摘 要 在 Fe-As(Ⅲ)-Cu(Ⅱ)-H2O 体系中,研究了酸性废水中 As(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)与金属铁粉的反应行为,考察了反应过程中 As 在 气、液、固三相中的分配比。 结果表明,As(Ⅲ)和 Cu(Ⅱ)离子被 Fe 还原为单质 As 和 Cu 后,As、Cu 进一步结合成 Cu5As2等金属间 化合物,从而促进 As(Ⅲ)沉淀反应的发生,且无 AsH3生成。 在反应时间 40min、铁粉过量系数 1.2、溶液初始 pH=0.0、温度 40 ℃、 Cu/ As 摩尔比 1.0 条件下,As 在气、液、固三相中的分配比分别为 0、20.7%和 79.3%,沉砷率为 79.3%。 关键词 废水处理; 酸性废水; 置换反应; As(Ⅲ); Cu(Ⅱ); 铁粉; 沉砷; AsH3 中图分类号 X703文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.02.022 文章编号 0253-6099(2020)02-0094-04 Reaction Behavior of As(Ⅲ) and Cu(Ⅱ) in Acidic Effluent with Iron Powder ZHENG Shuai-fei, SONG Wei-feng, HE Ru-min, HU Yuan-juan, TANG Yu-zhong, QIN Ji-shan (Shenzhen Shentou Environmental Protection Technology Co Ltd, Shenzhen 518049, Guangdong, China) Abstract The reaction behavior of As(Ⅲ) and Cu(Ⅱ) in acidic effluent with metallic iron powder was investigated in the Fe-As(Ⅲ)-Cu(Ⅱ)-H2O system. The distribution ratios of As in gas, liquid and solid phases during the reaction were investigated. The results showed that As(Ⅲ) and Cu(Ⅱ) ions were firstly reduced by Fe to elemental As and Cu, which were then combined into intermetallic compounds, such as Cu5As2, thus promoting the precipitation of As(Ⅲ), with no AsH3generated. It is shown that after 40-min reaction at a temperature of 40 ℃, with an excess coefficient of iron powder at 1.2, the initial pH of the solution at 0.0 and a molar ratio of Cu/ As of 1.0, the distribution ratios of As in gas, liquid and solid phases are 0, 20.7% and 79.3%, respectively, and the precipitation rate of As is 79.3%. Key words effluent treatment; acidic effluent; displacement reaction; As(Ⅲ); Cu(Ⅱ); iron powder; arsenic precipitation; AsH3 在 Fe-As(Ⅲ)-H2O 体系中,As(Ⅲ)可被金属铁置 换为单质 As,且无 AsH3的生成[1-5];但在 Fe-As(Ⅲ)- Cu(Ⅱ)-H2O 体系中,由于 As 可能与 Cu 形成金属间 化合物, 使得 As ( Ⅲ) 的置换沉淀反应更容易发 生[6-11]。 因此当溶液中存在 Cu(Ⅱ)时,应该关注两 点① 是否有 AsH3的生成;② 进入渣中的金属铜能 否与单质 As 形成金属间化合物,从而使 As(Ⅲ)的置 换反应更容易发生。 本文研究 Fe-As(Ⅲ)-Cu(Ⅱ )-H2O 体系中 As 3+ 、Cu 2+ 与金属铁粉的反应行为,以揭示在不 同实验条件下,砷在气、液和固三相中的分配行为。 1 实 验 1.1 实验原料 实验主要原料为三氧化二砷、氢氧化钠、硫酸铜、 98%硫酸、30%双氧水等试剂,均为分析纯;水为去离 子水;还原铁粉呈多孔、类球形烧结体形貌,分析纯,颗 粒直径 20~30 μm。 As(Ⅲ)溶液采用三氧化二砷、氢氧化钠、硫酸铜 和去离子水配制 As(Ⅲ)含量 5 g/ L 的溶液,用 98%硫 酸调节溶液 pH 值至相应初始值。 ①收稿日期 2019-11-14 基金项目 深圳市人居环境委员会绿色低碳产业发展专项资金资助项目(RJWLSDTCYZJ201801-007) 作者简介 郑帅飞(1982-),男,河南郑州人,工程师,硕士,主要研究方向为工业废物处理处置及资源化综合利用。 第 40 卷第 2 期 2020 年 04 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.40 №2 April 2020 ChaoXing AsH3吸收液取 30%双氧水 40 mL,用去离子水 稀释至 200 mL。 1.2 实验方法 实验在 500 mL 玻璃三口瓶中进行,3 个开口分别 接 AsH3吸收瓶、搅拌桨及 pH/ ORP 仪,实验过程中三 口瓶处于密闭状态,以使反应气体进入 AsH3吸收瓶 中。 实验装置示意图见图 1。 将三口瓶置于恒温水浴 中,按实验条件,加入 300 mL As(Ⅲ)溶液于三口瓶 中,加热至实验温度恒温,加入一定量还原铁粉,密闭 三口瓶,开启搅拌,开始实验计时。 实验结束后,对 AsH3吸收液、反应溶液和渣样进行分析。 图 1 实验装置示意 采用萃取分离-碘滴定法测定滤液中砷含量;采用 ICP-AES 测定 AsH3吸收液中砷含量;取适量的实验渣 样用浓硝酸溶解,采用 ICP-AES 测定并计算确定渣中 砷含量。 通过 X 射线衍射仪对实验渣样进行物相分析;采 用扫描电子显微镜观测实验渣样的显微形貌、表面状 态、粒度大小;通过 X 射线能谱仪测定实验渣样表面 元素成分。 2 实验结果及讨论 2.1 反应时间的影响 实验中,还原铁粉与 As 3+ 、Cu 2+ 发生如下反应 3Fe + 2As 3+ ==3Fe 2+ + 2As(1) Fe + Cu 2+ ==Fe 2+ + Cu (2) 还原铁粉过量系数定义为铁粉实际加入量与反 应(1) ~(2)化学计量所需铁粉的质量比。 铁粉过量系数1.2、溶液初始 pH=1.0、温度40 ℃、 Cu/ As 摩尔比 1.0、As(Ⅲ)浓度 5 g/ L 条件下,As 在 气、液、固三相中分配比随反应时间的变化见表 1。 由 表 1 可知,反应过程无 AsH3生成,反应进行 40 min 后,As 在各相中的分配比变化不大,故设定反应时间 为 40 min。 表 1 As 的分配比随反应时间的变化 反应时间/ min As 分配比/ % 固相液相气相 2051.9847.020 4057.7341.570 6058.1341.070 9058.4740.430 12058.7841.320 2.2 铁粉过量系数的影响 反应时间 40 min,其他条件不变, As 在气、液、固 三相中分配比随铁粉过量系数的变化见表 2。 由表 2 可知,反应过程无 AsH3生成,随着铁粉过量系数增 大,被铁粉还原的 As(Ⅲ)占总砷量的百分比相应地增 加。 当铁粉过量系数超过 1.2 时,其对 As 在气、液、固 三相中分配比的影响不再显著。 表 2 As 的分配比随铁粉过量系数的变化 铁粉过量系数 As 分配比/ % 固相液相气相 1.047.7151.610 1.257.7341.570 1.458.0141.090 1.658.1541.050 1.859.2839.620 不同铁粉过量系数下实验滤渣的 XRD 图谱如图 2 所示。 由图 2 可见,XRD 图谱中除了金属 Fe、Cu 的衍 射峰外,还出现了明显的铜砷化合物 Cu5As2等的衍射 峰。 由此可知,溶液中的 As(Ⅲ)和 Cu(Ⅱ )离子被铁粉 还原为单质 As 和 Cu 后,二者进一步结合为 Cu5As2等 化合物,促进了 As(Ⅲ)置换沉淀反应的发生。 40506030 2 / θ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● ● ●a b c d e FeCu5As2 CuCu3As 图 2 不同铁粉过量系数实验滤渣的 XRD 图谱 铁粉过量系数(a) 1.0; (b) 1.2; (c) 1.4; (d) 1.6; (e) 1.8 不同铁粉过量系数下实验滤渣的 SEM 照片如图 3 所示。 由图 3 可见,在实验范围内,滤渣的形貌无显 59第 2 期郑帅飞等 酸性废水中 As(Ⅲ)、Cu(Ⅱ)与铁粉的反应行为 ChaoXing 著差别,在保持了铁粉原有相貌的基础上,其表面附着 了大量的颗粒状物质。 图 3 不同铁粉过量系数下实验滤渣的 SEM 照片 铁粉过量系数(a) 1.0; (b) 1.2; (c) 1.4; (d) 1.6; (e) 1.8 铁粉过量系数 1.2 时,滤渣的 EDS 分析结果如图 4 所示。 图 4 中区域 A 物质成分见表 3。 图 4 滤渣的 EDS 分析结果 表 3 图 4 中区域 A 物质成分(质量分数) / % FeCuAs 3.8664.7831.36 由图 4 可见,区域 A 为颗粒状物质富集区,其中 Fe 含量很低,Cu、As 含量很高,且 Cu 与 As 的质量比 为 2.07,与 Cu5As2化合物中 Cu 与 As 的质量比相近。 因此,结合滤渣 XRD 图谱可推断,颗粒状物质为 Cu5As2富集区。 2.3 初始 pH 值的影响 铁粉过量系数 1.2,其他条件不变,As 在气、液、固 三相中分配比随溶液初始 pH 值的变化见表 4。 各实 验条件下均无 AsH3生成。 溶液初始 pH 值对 As 在各 相的分配比影响很大。 溶液初始 pH 从-0.31 增大至 3.0 时,进入渣相的砷从 83.44%降至 22.64%。 表 4 不同溶液初始 pH 值下 As 的分配比 溶液初始 pH 值 As 分配比/ % 固相液相气相 -0.31 83.4415.860 0.071.1328.270 1.057.7341.570 2.040.7058.100 3.022.6476.560 不同溶液初始 pH 值下实验滤渣的 XRD 图谱如 图 5 所示。 由图 5 可知,在溶液初始 pH 值为-0.31、 0.0 和 1.0 时,XRD 图谱中明显地出现 Cu5As2等化合 物的衍射峰,故 As(Ⅲ)的置换反应更加充分,As 在渣 相的分配比较高。 而溶液初始 pH 值为 2.0 和 3.0 时, XRD 图谱中几乎仅显示金属 Fe 和 Cu 的衍射峰,即进 入渣中的 As 没有与 Cu 结合为 Cu5As2等铜砷金属间 化合物,As(Ⅲ)的置换反应程度低,故 As 在渣相的分 配率较低。 因此可知,不同 pH 值下,As 的存在形态不 同,导致 As 在各相的分配比差别很大。 综合考虑,选 取溶液初始 pH=0。 40506030 2 / θ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● FeCu5As2 CuCu3As a b c d e 图 5 不同溶液初始 pH 值下实验滤渣的 XRD 图谱 溶液初始 pH 值(a) -0.31; (b) 0.0; (c) 1.0; (d) 2.0; (e) 3.0 2.4 温度的影响 溶液初始 pH 值为 0.0,其他条件不变,As 在气、 液、固三相中分配比随温度的变化见表 5。 由表 5 可 69矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 见,在实验条件范围内,均无 AsH3气体产生,且温度 超过 40 ℃时,沉砷率变化不大。 表 5 不同温度下 As 的分配比 温度/ ℃ As 分配比/ % 固相液相气相 2063.9235.180 4071.1328.270 6073.2425.960 8076.6822.320 2.5 Cu/ As 摩尔比的影响 温度为 40 ℃,其他条件不变,As 在气、液、固三相 中分配比随 Cu/ As 摩尔比的变化见表 6。 在实验范围 内,均无 AsH3气体生成,且 Cu/ As 摩尔比对 As 在气、 液、固三相中分配比影响显著。 表 6 不同 Cu/ As 摩尔比条件下 As 的分配比 Cu/ As 摩尔比 As 分配比/ % 固相液相气相 0.120.4678.840 0.535.1263.880 1.071.1328.270 1.573.3725.930 2.074.0425.560 不同 Cu/ As 摩尔比下实验滤渣的 XRD 图谱如图 6 所示。 Cu/ As 摩尔比为 0.1 和 0.5 时,XRD 图谱主要 显示金属 Fe、Cu 的衍射峰,未明显地出现 Cu5As2等金 属间化合物的衍射峰,故在该条件下,沉砷率较低。 而 Cu/ As 摩尔比大于 1.0 以后,XRD 图谱中明显出现 Cu5As2等金属间化合物的衍射峰,沉砷率增大。 40506030 2 / θ ● ● ● ● ● ● ●● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ● ● ● ● FeCu5As2 CuCu3As a b c d e 图 6 不同 Cu/ As 摩尔比下实验滤渣的 XRD 图谱 Cu/ As 摩尔比(a) 0.1; (b) 0.5; (c) 1.0; (d) 1.5; (e) 2.0 2.6 优化条件实验 综上所述,最优实验条件为反应时间 40 min、铁粉 过量系数 1.2、溶液初始 pH 值0.0、温度40 ℃、Cu/ As 摩 尔比 1.0。 在该实验条件下进行实验,可得 As 在气、 液、固三相中的分配比分别为 0、20.7%和 79.3%。 沉 砷率为 79.3%。 3 结 论 1) 在实验范围内,Fe-As(Ⅲ)-Cu(Ⅱ)-H2O 体系 中 As(Ⅲ)与铁粉反应,均无 AsH3生成。 2) 溶液中存在 Cu(Ⅱ)时,As(Ⅲ)和 Cu(Ⅱ) 被 金属铁置换为单质,均进入渣中,二者进一步形成 Cu5As2等金属间化合物,从而促进 As(Ⅲ)置换沉淀 反应的进行,使沉砷率大大地增加。 3) Fe-As(Ⅲ)-Cu(Ⅱ)-H2O 体系最优脱砷实验条 件为反应时间 40 min、铁粉过量系数 1.2、溶液初始 pH=0.0、温度 40 ℃、Cu/ As 摩尔比 1.0,此时 As 在气、 液、固三相中的分配比分别为 0、20.7%和 79.3%,沉砷 率为 79.3%。 参考文献 [1] Han F, Su Y, Monts D, et al. 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