苛性碱溶液氧压浸出高砷锑烟尘

张旭，刘志宏，李玉虎，刘智勇，李启厚

(中南大学 冶金与环境学院，湖南 长沙，410083)

摘要：对苛性碱溶液氧压浸出高砷锑烟尘进行研究，考察NaOH浓度、O₂分压、温度、浸出时间和液固质量比等因素对砷、锑和铅浸出行为的影响。研究结果表明：在火法处理铅阳极泥产出的高砷锑烟尘中，砷、锑的主要物相分别为As₂O₃和Sb₂O₃，锑也有少量以Sb₂O₅存在；在苛性碱溶液氧压浸出高砷锑烟尘过程中，As(Ⅲ)氧化为溶解度更大的As(Ⅴ)进入溶液，同时Sb(Ⅲ)氧化为Sb(Ⅴ)，并形成难溶化合物Sb₂O₃·2Sb₂O₅、Pb₂Sb₂O₇和NaSb(OH)₆，进入浸出渣中；实验确定的最佳工艺条件为：NaOH质量浓度40 g/L，O₂分压2.0 MPa，浸出温度140 ℃，浸出时间2 h，液固质量比10。在此条件下，As的浸出率可达95%以上，而Sb和Pb的浸出率均小于1.0%。

关键词：高砷锑烟尘；氧压浸出；脱砷；苛性碱溶液

中图分类号：TF09；TF803.23            文献标志码：A         文章编号：1672-7207(2014)05-1390-07

Oxygen pressure leaching of arsenic and antimony bearing flue dust in NaOH solution

ZHANG Xu, LIU Zhihong, LI Yuhu, LIU Zhiyong, LI Qihou

(School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China)

Abstract: The oxygen pressure leaching of arsenic and antimony bearing flue dust in NaOH solution was investigated and the effects of NaOH concentrate, O₂ pressure, temperature, time and mass ratio of liquid to solid were evaluated experimentally. The results show that the main phases of arsenic and antimony in the flue dust produced in the pyrometallurgical treatment of anode slime of lead electrorefining are As₂O₃ and Sb₂O₃ separately, with a small amount of antimony also being in the form of Sb₂O₅. In the process of the oxygen pressure leaching of arsenic and antimony bearing flue dust in NaOH solution, As(Ⅲ) ions are oxidized into As(Ⅴ) with a higher dissolubility in alkaline solution in the leaching process, while Sb(Ⅲ) ions are also oxidized into Sb(Ⅴ) and precipitated into leach residue in the form of Sb₂O₃·2Sb₂O₅, Pb₂Sb₂O₇ and NaSb(OH)₆. The optimum condition of the leaching is determined to be as follows: NaOH concentrate of 40 g/L, O₂ partial pressure of 2.0 MPa, temperature of 140 ℃, leaching time of 2 h, the mass ratio of liquid to solid of 10. Under the optimum conditions, the leaching rate of arsenic is more than 95%, while both of the leaching rates of antimony and lead are less than 1.0%, correspondingly.

Key words: arsenic and antimony bearing dust; oxygen pressure leaching; arsenic removal; NaOH solution

重有色冶炼是主要的砷污染源，我国每年由精矿带入冶炼厂的砷量高达数万吨^[1-2]。砷及其化合物易于挥发，火法冶炼中富集于各类含砷烟尘中，如火法处理铜和铅阳极泥烟尘^[3-4]、铜转炉烟灰^[5-6]、高砷次氧化锌^[7]等。实现砷与其他有价金属的高效分离，是处理各类含砷烟尘的必由途径，也是冶金技术亟待解决的难题。火法处理铅阳极泥产出的高砷锑烟尘，通常含砷15%~25%，锑40%~60%(质量分数)，此外还含有一定量的铅和铋等，由于砷、锑同为VA族元素，物理化学性质相似，而且其价态多，在烟尘中赋存物相及其嵌布状态复杂，处理这类烟尘时实现砷与锑等其他有价金属分离难度很大^[8]。针对高砷锑烟尘的脱砷问题已有广泛的生产实践与研究。国内冶炼厂处理高砷锑烟尘的传统工艺为反射炉还原挥发，但由于砷、锑性质相似，挥发烟尘中仍含有20%左右的锑，且火法能耗高，存在含砷粉尘污染问题，该工艺将逐步被淘汰。因而，湿法脱砷技术是研究热点，如采用碱浸、酸浸工艺^{[4, 6]}等。段学臣^[9]提出了低温氯化-蒸馏处理高砷锑烟尘的工艺，该方法利用AsCl₃和SbCl₃沸点不同蒸馏分离砷、锑，分离效果好，但氯盐体系对设备腐蚀严重，且AsCl₃属易溶解、易挥发的剧毒物质，这些原因使其难以工业化应用。由于砷、锑氧化物均呈两性，因而简单碱浸或酸浸分离效果均不太理想。舒万艮等^[10]研究了粗锑氧NaOH溶液浸出脱砷制备醋酸锑的工艺，在90 ℃下，用9%(质量分数)的NaOH溶液浸出2.5 h，锑的浸出率小于1%，但砷的浸出率也不高，仅有74%左右。为提高砷的浸出率，周红华等^[11-12]研究了Na₂S与NaOH混合碱溶液浸出高砷锑烟尘-氧化分离砷、锑，在最佳条件下，砷的浸出率大于98%，且锑的回收率也可达到95%以上，但硫化剂、氧化剂等试剂消耗大，使得该工艺的经济性欠佳。樊立峰等^[13-14]探讨了选择浸出处理砷锑烟尘的工艺，即首先采用碳酸钠焙烧-碱浸脱砷，然后采用硫化钠浸出回收锑，接着采用HCl-NaCl浸出回收铅，再从浸出渣中回收锡。尽管该工艺基本实现了各主要有价金属的回收，但冗长的工艺路线使得处理成本较高，难以产业化应用。为此，本文作者对NaOH溶液氧压浸出高砷锑烟尘进行实验研究，在碱性氧压条件下氧化As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)，并利用As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)在碱性体系中溶解性的差别，使其分别进入溶液和渣中，完成砷、锑的高效分离，以期实现高砷锑烟尘的浸出、分离一步完成的短流程、高效率处理。

1  实验

1.1  实验原料

样品取自国内某铅冶炼厂的高砷锑烟尘，经研磨、烘干、混匀后作为实验原料，其化学成分和粒度分析结果分别如表1和表2所示，图1所示为其XRD图谱。

表1  高砷锑烟尘主要化学成分(质量分数)

Table 1  Main chemical composition of arsenic and antimony bearing flue dust           %

表2  高砷锑烟尘粒度分布

Table 2  Particle size distribution of arsenic and antimony bearing flue dust

图1  高砷锑烟尘XRD分析图谱

Fig. 1  XRD pattern of arsenic and antimony bearing flue dust

由表1可知：实验所用高砷锑烟尘中As和Sb的质量分数分别为23.36%和22.70%。由图1可知：烟尘中的As和Sb主要物相分别为As₂O₃和Sb₂O₃，而Sb也有少量以 Sb₂O₅形态存在。由表2可见：实验所用高砷锑烟尘粒度较细，粒径大于150 μm的仅有4.30%，小于49 μm的占28.75%。

实验所用试剂，如氢氧化钠、次亚磷酸钠、硫酸铈等，均为分析纯。水为去离子水。

1.2  浸出实验

浸出实验在1 L机械搅拌钛制高压釜中进行。称取一定质量的高砷锑烟尘于高压釜内，按预定液固质量比往釜内加入设定浓度的氢氧化钠溶液，密闭高压釜，开启搅拌控制其速度在200 r/min，待釜内温度升至预定温度后，按实验要求的氧气分压通入O₂，开始计算浸出时间。达到浸出时间后，关闭加热装置，往釜内冷却盘管中通入自来水冷却，待釜内压力降至常压后，开启高压釜，移出料液过滤洗涤。测量浸出液体积取样分析，浸出渣干燥后称重取样分析。

1.3  分析检测

采用次磷酸盐-碘量法^[15]测定浸出液中的总砷含量；采用硫酸铈滴定法^[15]测定浸出液中总锑含量；对于浸出液中低浓度的砷、铅、锑，采用美国热电公司IRIS Intrepid II XSP型ICP-AES分析其含量；采用Rigaku-TTRIII型X线衍射仪(Cu靶，K_α，λ=0.154 06 nm)分析原料和浸出渣物相。浸出实验中，As，Sb和Pb的浸出率按溶液分析结果计算。

2  实验结果与讨论

2.1  NaOH质量浓度的影响

在O₂分压2.0 MPa，温度140 ℃，浸出时间2 h，液固质量比10的条件下，考察NaOH质量浓度对高砷锑烟尘浸出的影响，砷、锑和铅浸出率随NaOH质量浓度的变化关系及相应浸出渣的XRD图谱分别如图2和图3所示。

由图2可见：随NaOH质量浓度的增大，As的浸出率提高，而与其相反，Sb和Pb浸出率则随之降低，但当NaOH质量浓度大于40 g/L后，其对各元素浸出率的影响趋于平缓。当NaOH质量浓度由10 g/L上升到40 g/L时，砷的浸出率由66.51%提高至95.86%，铅、锑的浸出率分别由15.60%，15.85%降至0.11%，0.78%。原因在于：根据As-H₂O和Sb-H₂O系的φ-pH图，在高碱性条件下，As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)均易于被O₂氧化为As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ) ^[16-17]；As(Ⅴ)在碱性体系具有较高的溶解度^[18]，而Sb(Ⅴ)则难溶于碱性溶液中^[11-12]。图3所示为浸出渣XRD分析结果。由图3可见：NaOH质量浓度较低时，浸出渣中Sb主要为Sb₂O₃，随着NaOH质量浓度提高，浸出渣中Sb₂O₃·2Sb₂O₅和Pb₂Sb₂O₇增多。当NaOH质量浓度达到40 g/L，浸出渣的XRD图谱中出现NaSb(OH)₆的特征衍射峰，说明氧化生成的Sb(Ⅴ)大量以NaSb(OH)₆沉淀。以上结果表明：在氧压浸出条件下，随着NaOH质量浓度的增加，促进了物料中Sb(Ⅲ)氧化为Sb(Ⅴ)，锑和铅以NaSb(OH)₆，Pb₂Sb₂O₇和Sb₂O₃·2Sb₂O₅等形态进入浸出渣中，实现As与Sb和Pb的高效分离。

图2  NaOH质量浓度对砷、锑和铅浸出率的影响

Fig. 2  Effects of NaOH concentrations on leaching rates of arsenic, antimony and lead

图3  不同NaOH质量浓度下浸出渣的XRD图谱

Fig. 3  XRD patterns of leach residues obtained at different NaOH concentrations

2.2  O₂分压的影响

在NaOH质量浓度40 g/L，反应温度140 ℃，浸出时间2 h，液固质量比10的条件下，考察O₂分压对高砷锑烟尘浸出的影响。砷、锑和铅浸出率随O₂分压的变化关系及相应浸出渣的XRD图谱分别如图4和图5所示。

从图4可知：当氧气分压从0.5 MPa提高到2.5 MPa时，As和Sb的浸出率基本不变，分别为95%和0.9%左右，而铅的浸出率随之逐步降低，由0.5 MPa时的1.02%降至2.5 MPa时的0.05%。这表明As和Sb氧化所需的氧气分压较低，在氧气分压为0.5 MPa时，即可实现As(Ⅲ)和Sb(Ⅲ)分别向As(Ⅴ)和Sb(Ⅴ)的转化。由图5可知：在氧气分压为0.5 MPa时，浸出渣的XRD图谱中已经出现NaSb(OH)₆和Sb₂O₃·2Sb₂O₅的特征衍射峰，且随氧分压的增加，其衍射峰强度逐步提高，而Sb₂O₃的衍射峰不断减弱，这说明氧气分压越高，越有利于浸出渣中的Sb(Ⅲ)向Sb(Ⅴ)转变。当氧分压低于2.0 MPa时，铅主要以PbO形式与Sb₂O₃结合生成了PbO·Sb₂O₃沉淀，随着氧分压的增加，其进一步转化为Pb₂Sb₂O₇。铅的沉淀形态随O₂分压的改变，是铅浸出率随O₂提高而稍有降低的原因。

图4  O₂分压对砷、锑和铅浸出率的影响

Fig. 4  Effects of oxygen partial pressure on leaching rates of arsenic, antimony and lead

图5  不同O₂分压下浸出渣的XRD图谱

Fig.5  XRD patterns of leach residues obtained at different oxygen partial pressures

2.3  浸出温度的影响

在NaOH质量浓度40 g/L，氧气分压2.0 MPa，反应时间2 h，液固质量比10的条件下，考察浸出温度对高砷锑烟尘浸出的影响。砷、锑和铅浸出率随温度的变化关系及相应浸出渣的XRD图谱分别如图6和图7所示。

图6  浸出温度对砷、锑和铅浸出率的影响

Fig. 6  Effects of leaching temperature on leaching rates of arsenic, antimony and lead

图7  不同浸出温度下浸出渣的XRD图谱

Fig.7  XRD patterns of leach residues obtained at different leaching temperatures

从图6可以看出，当温度从80 ℃上升到140 ℃时，As的浸出率由89.05%上升到95.86%，而锑和铅的浸出率分别由1.19%和0.92%下降至0.78%和0.11%，进一步提高反应温度时，对砷、锑、铅的浸出率影响不大。由图7可见，温度对浸出渣中Sb的物相形态影响较大。80 ℃时，Sb主要以Sb₂O₃和 NaSb(OH)₆进入浸出渣；随着浸出温度的升高，Sb₂O₃和NaSb(OH)₆的衍射峰逐步弱化，而Sb₂O₃·2Sb₂O₅的衍射特征峰显著增强；当浸出温度为170 ℃时，Sb₂O₃的衍射特征峰已基本消失，Sb主要以NaSb(OH)₆和Sb₂O₃·2Sb₂O₅形式存在；当浸出温度达到200 ℃时，浸出渣中Sb已完全转化为Sb₂O₃·2Sb₂O₅。另外，实验结果也表明：温度对Pb₂Sb₂O₇的形成影响不大，但较高的温度有利于锑的氧化，由此促进铅的沉淀。

2.4  浸出时间的影响

在NaOH质量浓度40 g/L，氧气分压2.0 MPa，浸出温度140 ℃，液固质量比10的条件下，考察浸出时间对高砷锑烟尘浸出的影响。砷、锑和铅浸出率随浸出时间的变化关系及相应浸出渣的XRD图谱分别如图8和图9所示。

从图8可看出，浸出1 h后，砷、锑、铅的浸出率可分别达到94.11%，1.27%和0.69%。随浸出时间的进一步增加，砷的浸出率稍有增加，而锑和铅的浸出率逐步降低。根据图1可知，砷在高砷锑烟尘中主要以As₂O₃形式存在，因而对于高砷锑烟尘中的砷，在碱性溶液中会很快溶解。在高砷锑烟尘中，砷除了以As₂O₃形态存在外，还可能有少量难溶砷酸盐^[11]。因此，当以As₂O₃形态存在的砷被浸出完全后，砷酸盐的溶解速度将直接决定砷的浸出效果。同样锑的浸出直接受其物相的影响，这点也可从图9所示浸出渣的XRD图谱中得到证实，浸出初始阶段，渣中锑主要以Sb₂O₃形式存在，其在碱性体系中溶解度较大，因此浸出率较高。随着浸出时间的延长，Sb(Ⅲ)被逐渐氧化为Sb(Ⅴ), 浸出渣中锑主要以NaSb(OH)₆和Sb₂O₃·2Sb₂O₅形式存在，其在碱性溶液中溶解度较小，因而锑的浸出率随浸出时间延长而逐步降低。当浸出时间超过4 h后，铅的浸出率会随时间的增加而再次升高，这可能是由于砷、锑的铅酸盐(As_xPb_yO_z，Sb_xPb_yO_z)被浸出后所造成。考虑到砷与锑和铅的分离效果及浸出效率，浸出时间以2 h较为适宜。

图8  浸出时间对砷、锑和铅浸出率的影响

Fig. 8  Effects of leaching time on leaching rates of arsenic, antimony and lead

图9  不同浸出时间浸出渣的XRD图谱

Fig. 9  XRD patterns of leach residues obtained at different leaching times

2.5  液固质量比的影响

在NaOH质量浓度40 g/L，O₂分压2.0 MPa，浸出温度140 ℃，浸出时间2 h条件下，考察液固质量比对高砷锑烟尘浸出的影响。砷、锑和铅浸出率随液固质量比的变化关系及相应浸出渣的XRD图谱分别如图10和图11所示。

由图10可知：当液固质量比从5增加至10时，砷的浸出率由76.01%提高到95.86%，而锑的浸出率则由6.44%降至0.78%。当液固质量比进一步增加时，砷和锑的浸出率变化不大。与之不同的是，随着液固质量比增加，铅的浸出率逐步提高，特别是当液固质量比超过20后，铅的浸出率迅速提高，如液固质量比为10时，铅浸出率为0.11%；而当提高至20时，其浸出率可达0.91%。低液固质量比条件下，碱量较少，不足以完全溶解烟尘中的砷、锑物相，而随着液固质量比的增加，过多的碱量导致物料中的Pb(Ⅱ)与OH^-发生配合反应而溶解于溶液中。因此，为确保As的浸出效果及其与Pb和Sb有效分离，选用液固质量比为10较为合适。

图10  液固质量比对砷、锑和铅浸出率的影响

Fig. 10  Effects of mass ratio of liquid to solid on leaching rates of arsenic, antimony and lead

图11  不同液固质量比下浸出渣的XRD图谱

Fig.11  XRD patterns of leaching residues obtained at different mass ratio of liquid to solid

3  结论

(1) 火法处理铅阳极泥产出的高砷锑烟尘中，砷、锑的主要物相分别为As₂O₃和Sb₂O₃，锑也有少量以Sb₂O₅存在。

(2) 在苛性碱溶液中氧压浸出高砷锑烟尘，可实现砷与锑、铅的高效分离，其原理为As(Ⅲ)氧化为溶解度更大的As(Ⅴ)进入溶液，Sb(Ⅲ)氧化为Sb(Ⅴ)，形成在碱性溶液中较Sb₂O₃溶解度更低的Sb₂O₃.2Sb₂O₅，Pb₂Sb₂O₇和NaSb(OH)₆沉淀进入浸出渣中。

(3) 实验确定的最佳工艺条件为：NaOH质量浓度40 g/L，O₂分压2.0 MPa，浸出温度140 ℃，浸出时间2 h，液固质量比10。在此条件下，As的浸出率可达95%以上，而Sb和Pb的浸出率均小于1.0%。该工艺实现了砷和锑的一步分离，工艺流程短，碱耗低，有价金属回收率高，因而具有较好的经济技术指标。

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(编辑  赵俊)

收稿日期：2013-05-18；修回日期：2013-08-28

基金项目：教育部新世纪优秀人才资助计划(NCET-11-0517)；中国博士后科学基金资助项目(2012M521544)

通信作者：刘志宏(1963-)，男，湖南石门人，博士，教授，从事有色冶金复杂物料处理及有色金属深加工的研究；电话：0731-88830478；E-mail: zhliu@csu.edu.cn