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基于 Box-Behnken 设计优化白银炉电收尘脱砷工艺 ① 魏晓玲1, 王晓阳2,3, 方红生3, 李慧颖2,3, 王文祥2,3 (1.白银矿冶职业技术学院 矿冶工程系,甘肃 白银 730900; 2.广东环境保护工程职业学院 环境工程系,广东 佛山 528216; 3.广东省固体废弃物资源 化与重金属污染控制工程技术研究中心,广东 佛山 528216) 摘 要 采用低温碱性焙烧-热水浸出工艺脱除白银炉电收尘(EPD)中的砷,主要考察了焙烧过程中碱料比、焙烧温度、焙烧时间对 砷浸出率的影响,并利用响应曲面法的 Box-Behnken 设计优化工艺参数。 结果表明,3 个因素对 EPD 中砷的浸出率均有影响,其中 焙烧温度对砷浸出率影响最大。 结合单因素实验结果及 Box-Behnken 设计优化后焙烧条件为碱料比 1.2,焙烧温度 600 ℃,焙烧时 间 2 h。 优化条件下,EPD 中砷浸出率为 90.76%,铅、锌、铜、铋均不浸出。 低温碱性焙烧-热水浸出工艺能实现 EPD 中砷的选择性 脱除,有价金属富集在浸出渣中得以综合回收。 关键词 白银炉电收尘; 脱砷; 响应曲面法; 低温碱性焙烧; 烟尘 中图分类号 TF81;X758文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2020.02.020 文章编号 0253-6099(2020)02-0086-04 Optimization of Arsenic Removal for Electrostatic Precipitator Dust from Baiyin Furnace Based on Box-Behnken Design WEI Xiao-ling1, WANG Xiao-yang2,3, FANG Hong-sheng3, LI Hui-ying2,3, WANG Wen-xiang2,3 (1.Department of Mining and Metallurgical Engineering, Baiyin Polytechnic of Mining and Metallurgy, Baiyin 730900, Gansu, China; 2.Department of Environmental Engineering, Guangdong Polytechnic of Environmental Protection and Engineering, Foshan 528216, Guangdong, China; 3.Guangdong Provincial Engineering and Technical Research Center for Solid Waste Recycling and Heavy Metal Pollution Control, Foshan 528216, Guangdong, China) Abstract A process consisting of low-temperature alkaline roasting and hot water leaching was used to remove arsenic in electrostatic precipitator dust (EPD) from Baiyin furnace. Effects of alkali-to-material ratio, roasting temperature and roasting time on the arsenic leaching rate were investigated, and the process parameters were optimized based on the Box-Behnken design with response surface method. The results show that three factors all can bring effects on the leaching rate of arsenic in EPD, and the roasting temperature has the greatest effect on the arsenic leaching rate. Based on the single-factor experimental results and the Box-Behnken design, the roasting conditions are optimized as follows alkali-to-material ratio of 1.2, roasting temperature at 600 ℃ and roasting time of 2 h. Under the optimal conditions, the leaching rate of arsenic from EPD is 90.76%, and lead, zinc, copper and bismuth are almost not leached. It is shown that the low-temperature alkaline roasting-hot water leaching process can realize the selective removal of arsenic from EPD, and the valuable metals concentrated in the leaching slag can be comprehensive recovered. Key words electrostatic precipitator dust from Baiyin furnace; arsenic removal; response surface method (RSM); low-temperature alkaline roasting; dust 有色金属精矿中的砷在高温冶炼过程中大部分挥 发进入烟气[1],与铅、锑、锌等元素碰撞吸附,形成粒 度微细、价态和成分复杂的高砷烟尘,最后在收尘系统 被收集[2]。 其中除砷之外还含有大量的铜、铅、锌和 银等有价金属,具有较高的经济价值。 含砷烟尘常用 的脱砷方法有火法焙烧、湿法浸出以及火法-湿法联用 ①收稿日期 2019-11-03 基金项目 甘肃省高等学校科研项目(2018A291);广东省基础与应用基础研究基金-面上项目(2020A1515011007);广西重点研发计划资助 项目(2019AB18001);广东普通高校创新团队项目(2017GKCXTD004) 作者简介 魏晓玲(1972-),女,甘肃兰州人,副教授,学士,主要从事有色冶金方面的研究。 通讯作者 王文祥(1972-),男,安徽枞阳人,副教授,高级工程师,博士,主要研究方向为固体废弃物资源综合利用、重金属污染防治与环境修复。 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 等[3-8]。 采用本研究团队开发的低温碱性焙烧-热水 浸出工艺[9-11],从白银炉电收尘(EPD)中选择性分离 砷,并利用响应曲面法的 Box-Behnken 设计对焙烧条 件进行优化[12]。 1 实 验 1.1 实验原料 原料 取 自 国 内 某 铜 业 公 司 的 白 银 炉 电 收 尘 (EPD), 其主要化学成分见表 1。 采用扫描电镜 (SEM)和 X 射线衍射(XRD)对 EPD 进行微观形貌和 物相分析,结果如图 1 所示。 由图 1 可以看出,EPD 颗粒粒径较小且分布不均,夹杂有较大的结晶体;EPD 物相较为复杂,砷主要以三氧化二砷、砷硫氧化物和副 羟砷锌石等形式存在。 表 1 白银炉电收尘化学成分(质量分数) / % AsCuPbZnBi 4.4812.6421.392.335.36 201030504060 2 / θ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ● ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ▲ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ ◆ PbSO4 CaZnSO4OH As2O3 Zn2AsO4OH CuAsO3OHH2O b 图 1 白银炉电收尘 SEM 和 XRD 图谱 (a) SEM; (b) XRD 1.2 实验装置与试剂 实验装置马弗炉,数显恒温水浴锅,电子天平,微 波消解仪,数显搅拌器,坩埚,250 mL 烧杯若干等。 实验试剂碳酸钠,盐酸,硝酸,氢氟酸,均为分析 纯;砷标准溶液(基准试剂)。 1.3 实验步骤与方法 采用低温碱性焙烧-热水浸出工艺处理 EPD。 称 取原料与一定配比的碳酸钠(碳酸钠与原料的质量比 称为碱料比),均匀混合后在马弗炉中恒温焙烧一段 时间。 经冷却、破碎后恒温搅拌浸出,浸出条件固定 为浸出液固比 5 ∶1,浸出温度 60 ℃,浸出时间 2 h。 浸出后过滤得含砷滤液,检测其中砷浓度,计算砷浸 出率[13]。 EPD 原料及其浸出渣的物相、微观形貌、成分分 别采用 XRD、SEM、X 射线荧光光谱(XRF)和化学分 析法检测,含砷滤液中砷的浓度采用 ICP-OES 测定。 采用 Stat-Ease 公司的软件 Design-Expert(8.0.5)进行 响应曲面的绘制。 2 实验结果与讨论 2.1 焙烧单因素实验 固定焙烧温度 600 ℃,焙烧时间 2 h,碱料比对 EPD 中砷浸出率的影响如图 2 所示。 从图 2 可知,砷 浸出率随着碱料比增加而逐渐提高。 当碱料比小于 0.8 时,砷浸出率随碱料比增加而快速提高;继续增大 碱料比,砷浸出率有所提高但增幅较小;当碱料比为 1.2 时,砷浸出率达到 90.83%。 而随着碱料比变化, 铜、铅、锌、铋几乎不浸出。 故选择最优碱料比为 1.2。 碱料比 ■ ■ ■ ■ ■ ■ 100 90 80 70 60 50 0.60.40.81.01.2 砷浸出率/ 图 2 焙烧碱料比对 EPD 中砷浸出率的影响 碱料比 1.2,焙烧时间 2 h,焙烧温度对 EPD 中砷 浸出率的影响如图 3 所示。 由图 3 可知,砷浸出率首 先随焙烧温度提高呈上升趋势,当温度达到 600 ℃时, 浸出率达到最大,继续升温砷浸出率不再增加。 因此, 选择 600 ℃为最优温度,此时砷浸出率达到 90.59%, 铜、铅、锌、铋几乎不浸出。 碱料比 1.2,焙烧温度 600 ℃,焙烧时间对 EPD 中 砷浸出率的影响如图 4 所示。 由图 4 可知,焙烧时间 短于 1 h 时,砷浸出率随焙烧时间延长而快速提高;焙 烧时间长于1 h,砷浸出率随焙烧时间延长有所提高但 78第 2 期魏晓玲等 基于 Box-Behnken 设计优化白银炉电收尘脱砷工艺 ChaoXing 焙烧温度/℃ ■ ■ ■ ■ ■ 100 90 80 70 60 50 450400550500600650 砷浸出率/ 图 3 焙烧温度对 EPD 中砷浸出率的影响 焙烧时间/h ■ ■ ■ ■ 100 90 80 70 60 50 1.00.50.02.01.52.53.03.5 砷浸出率/ 图 4 焙烧时间对 EPD 中砷浸出率的影响 增幅明显减弱;当焙烧时间为 3 h 时,砷浸出率达到 93.25%。 但焙烧时间越长能耗越高,综合考虑能耗与 砷浸出率之间的关系,选择 2 h 为最优焙烧时间,此时 砷浸出率为 90.86%,铜、铅、锌、铋几乎不浸出。 2.2 响应曲面优化 图 5 为碱料比、焙烧温度对砷浸出率的响应曲面 及其等值线图。 从图 5 可以看出,随着焙烧过程中碱 料比及焙烧温度的增大,砷浸出率均提高,且整个响应 曲面呈类似凸面体。 但焙烧温度相较于碱料比的上升 曲线更陡,说明焙烧温度较碱料比对砷浸出率的影响 更大,曲面整体呈斜坡向上,说明碱料比与焙烧温度的 交互作用对砷浸出率的影响显著。 图 6、图 7 分别为 碱料比与焙烧时间、焙烧温度与焙烧时间对砷浸出率 的响应曲面及其等值线图。 焙烧温度与焙烧时间和碱 料比与焙烧时间的响应曲面均呈类似凸面体,表明其 交互作用相似。 图 6 中,随着碱料比及焙烧时间增大 和延长,砷浸出率提高。 图 7 中,随着焙烧温度及焙烧 时间增大和延长,砷浸出率提高。 由图 5~7 可知,增大碱料比、提高焙烧温度和延 长反应时间均能提高白银炉电收尘中砷浸出率,尤其 是提高焙烧温度。 综合考虑处理成本及各因素之间的 交互作用对白银炉电收尘中砷浸出效率的影响,优化 最佳焙烧条件为碱料比 1.2,焙烧温度 600 ℃,焙烧时 图5 碱料比和焙烧温度对砷浸出率影响的三维曲面及等值线图 图6 碱料比和焙烧时间对砷浸出率影响的三维曲面及等值线图 88矿 冶 工 程第 40 卷 ChaoXing 图7 焙烧温度和焙烧时间对砷浸出率影响的三维曲面及等值线图 间 1.63 h,为方便操作,焙烧时间取整为 2 h。 在此条 件下砷浸出率期望值达到 91.61%。 结合单因素实验 结果,在碱料比为 1.2、焙烧温度 600 ℃、焙烧时间 2 h 条件下得到的 EPD 中砷浸出率结果分别为 90.83%、 90.59%和 90.86%,平均值 90.76%,与预测值 91.61% 接近,相对误差仅 0.93%,表明优化条件的准确性与可 靠性。 2.3 EPD 脱砷渣分析 取优化条件下所得 EPD 脱砷渣进行微观形貌和 物相分析,结果见图 8。 SEM 图谱显示,脱砷渣呈现出 形貌较为均一的松散结构,未发现明显结晶体。 XRD 图谱显示,EPD 脱砷渣中无明显的三氧化二砷峰或砷 化合物的峰,主要物相有硫酸铅和铜、铅、锌等金属的 氧化物等。 证明白银炉电收尘经过低温碱性焙烧-浸 出后,绝大部分砷被选择性脱除,脱砷渣则主要是铅、 铜、锌等有价金属富集物,可直接返回熔炼系统回收。 3 结 论 通过考察焙烧过程中碱料比、焙烧温度、焙烧时间 对砷浸出率的影响,结合响应曲面法的 Box-Behnken 设计优化工艺参数,证明 3 个因素对 EPD 中砷浸出率 201030504060 2 / θ ■ ● ▲ ▲ ◆ PbSO4 Zn3Cu2OHCO32 CuO ZnO PbO Fe2-3Si4O10OH2 b ■ ■ ■ ■ ■ ● ● ● ● ● ● ● ● ▲▲ ▲ ▲▲ ▲ ▲ ▲ ▲▲ ◆ ◆ ◆ 图 8 EPD 脱砷渣的 SEM 和 XRD 图谱 (a) SEM; (b) XRD 均有影响,其中焙烧温度对砷浸出率的影响最大。 结 合单因素实验结果及 Box-Behnken 设计优化后最终得 到的焙烧条件为碱料比 1.2,焙烧温度 600 ℃,焙烧时 间 2 h,此时在设定的浸出条件下,EPD 中砷浸出率为 90.76%,与 Box-Behnken 设计所得期望值 91.61%相 近,误差仅 0.93%,表明该优化条件的准确性与可靠 性。 在此过程中铅、锌、铜、铋均不浸出,富集在浸出渣 中得以综合回收。 参考文献 [1] 李玉虎. 有色冶金含砷烟尘中砷的脱除与固化[D]. 长沙中南大 学冶金科学与工程学院, 2011. 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(下转第 93 页) 98第 2 期魏晓玲等 基于 Box-Behnken 设计优化白银炉电收尘脱砷工艺 ChaoXing 到 1 273 K 时,锌铝硅合金残料中锌挥发率达到 99.9% 以上,锌含量可以降到 0.11%;在蒸馏温度为 973 ~ 1 173 K 范围内,锌铝硅铁渣残料锌含量低于0.50%,锌 挥发率高于 99.6%,当蒸馏温度达到 1 273 K 时,锌铝硅 铁渣熔化为液态,不利于锌的蒸发,导致合金渣残料中 锌含量增加,锌挥发率降低。 2) 随着蒸馏时间增加,锌铝硅合金和锌铝硅铁渣 中的锌含量逐渐降低,蒸馏时间超过 2 h 后物料中的 锌含量变化不大。 3) 挥发产物为纯度较高的锌,可以返回锌熔析工 序循环使用。 参考文献 [1] 黎 明. 铝合金基础知识[J]. 摩托车, 2012(4)70-71. [2] Crepeau P N. Effect of Iron in Al-Si Casting AlloysA Critical Review[J]. AFS Transactions, 1995,103361-365. [3] 王苏北. 铝硅合金中铁的有害影响及控制措施[J]. 铸造设备研 究, 2002(5)35-36. [4] Cameron M Dinnis, John A Taylor, Arne K Dahle. Iron-related poros- ity in Al-Si-(Cu) foundry alloys[J]. Materials Scence and Engineer- ing, 2006,425(6)286-296. [5] Yuan Haibin,Yang Bin, Xu Baoqiang. Aluminum Production by Car- bothermo-Chlorination of Alumina in Vacuum [ J]. Transactions of Nonferrous Metals Society of China, 2010,20(8)1505-1510. [6] Xiong Yulun, Yang Bin, Xiong Heng. Separation of Sn-Fe Alloys by Vacuum Distillation[J]. 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