基于Box-Behnken 設(shè)計(jì)優(yōu)化白銀爐電收塵脫砷工藝①

魏曉玲， 王曉陽， 方紅生， 李慧穎， 王文祥

（1.白銀礦冶職業(yè)技術(shù)學(xué)院 礦冶工程系，甘肅白銀730900；2.廣東環(huán)境保護(hù)工程職業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系，廣東 佛山528216；3.廣東省固體廢棄物資源化與重金屬污染控制工程技術(shù)研究中心，廣東佛山528216）

有色金屬精礦中的砷在高溫冶煉過程中大部分揮發(fā)進(jìn)入煙氣［1］，與鉛、銻、鋅等元素碰撞吸附，形成粒度微細(xì)、價(jià)態(tài)和成分復(fù)雜的高砷煙塵，最后在收塵系統(tǒng)被收集［2］。 其中除砷之外還含有大量的銅、鉛、鋅和銀等有價(jià)金屬，具有較高的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。 含砷煙塵常用的脫砷方法有火法焙燒、濕法浸出以及火法-濕法聯(lián)用等［3-8］。 采用本研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的低溫堿性焙燒-熱水浸出工藝［9-11］，從白銀爐電收塵（EPD）中選擇性分離砷，并利用響應(yīng)曲面法的Box-Behnken 設(shè)計(jì)對焙燒條件進(jìn)行優(yōu)化［12］。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

原料取自國內(nèi)某銅業(yè)公司的白銀爐電收塵（EPD），其主要化學(xué)成分見表1。 采用掃描電鏡（SEM）和X 射線衍射（XRD）對EPD 進(jìn)行微觀形貌和物相分析，結(jié)果如圖1 所示。 由圖1 可以看出，EPD顆粒粒徑較小且分布不均，夾雜有較大的結(jié)晶體；EPD物相較為復(fù)雜，砷主要以三氧化二砷、砷硫氧化物和副羥砷鋅石等形式存在。

表1 白銀爐電收塵化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）／%

圖1 白銀爐電收塵SEM 和XRD 圖譜

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置與試劑

實(shí)驗(yàn)裝置：馬弗爐，數(shù)顯恒溫水浴鍋，電子天平，微波消解儀，數(shù)顯攪拌器，坩堝，250 mL 燒杯若干等。

實(shí)驗(yàn)試劑：碳酸鈉，鹽酸，硝酸，氫氟酸，均為分析純；砷標(biāo)準(zhǔn)溶液（基準(zhǔn)試劑）。

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟與方法

采用低溫堿性焙燒-熱水浸出工藝處理EPD。 稱取原料與一定配比的碳酸鈉（碳酸鈉與原料的質(zhì)量比稱為堿料比），均勻混合后在馬弗爐中恒溫焙燒一段時(shí)間。 經(jīng)冷卻、破碎后恒溫?cái)嚢杞?，浸出條件固定為：浸出液固比5 ∶1，浸出溫度60 ℃，浸出時(shí)間2 h。浸出后過濾得含砷濾液，檢測其中砷濃度，計(jì)算砷浸出率［13］。

EPD 原料及其浸出渣的物相、微觀形貌、成分分別采用XRD、SEM、X 射線熒光光譜（XRF）和化學(xué)分析法檢測，含砷濾液中砷的濃度采用ICP-OES 測定。采用Stat-Ease 公司的軟件Design-Expert（8.0.5）進(jìn)行響應(yīng)曲面的繪制。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 焙燒單因素實(shí)驗(yàn)

固定焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間2 h，堿料比對EPD 中砷浸出率的影響如圖2 所示。 從圖2 可知，砷浸出率隨著堿料比增加而逐漸提高。 當(dāng)堿料比小于0.8 時(shí)，砷浸出率隨堿料比增加而快速提高；繼續(xù)增大堿料比，砷浸出率有所提高但增幅較??；當(dāng)堿料比為1.2 時(shí)，砷浸出率達(dá)到90.83%。 而隨著堿料比變化，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。 故選擇最優(yōu)堿料比為1.2。

圖2 焙燒堿料比對EPD 中砷浸出率的影響

堿料比1.2，焙燒時(shí)間2 h，焙燒溫度對EPD 中砷浸出率的影響如圖3 所示。 由圖3 可知，砷浸出率首先隨焙燒溫度提高呈上升趨勢，當(dāng)溫度達(dá)到600 ℃時(shí)，浸出率達(dá)到最大，繼續(xù)升溫砷浸出率不再增加。 因此，選擇600 ℃為最優(yōu)溫度，此時(shí)砷浸出率達(dá)到90.59%，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。

堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間對EPD 中砷浸出率的影響如圖4 所示。 由圖4 可知，焙燒時(shí)間短于1 h 時(shí)，砷浸出率隨焙燒時(shí)間延長而快速提高；焙燒時(shí)間長于1 h，砷浸出率隨焙燒時(shí)間延長有所提高但增幅明顯減弱；當(dāng)焙燒時(shí)間為3 h 時(shí)，砷浸出率達(dá)到93.25%。 但焙燒時(shí)間越長能耗越高，綜合考慮能耗與砷浸出率之間的關(guān)系，選擇2 h 為最優(yōu)焙燒時(shí)間，此時(shí)砷浸出率為90.86%，銅、鉛、鋅、鉍幾乎不浸出。

圖3 焙燒溫度對EPD 中砷浸出率的影響

圖4 焙燒時(shí)間對EPD 中砷浸出率的影響

2.2 響應(yīng)曲面優(yōu)化

圖5 為堿料比、焙燒溫度對砷浸出率的響應(yīng)曲面及其等值線圖。 從圖5 可以看出，隨著焙燒過程中堿料比及焙燒溫度的增大，砷浸出率均提高，且整個(gè)響應(yīng)曲面呈類似凸面體。 但焙燒溫度相較于堿料比的上升曲線更陡，說明焙燒溫度較堿料比對砷浸出率的影響更大，曲面整體呈斜坡向上，說明堿料比與焙燒溫度的交互作用對砷浸出率的影響顯著。 圖6、圖7 分別為堿料比與焙燒時(shí)間、焙燒溫度與焙燒時(shí)間對砷浸出率的響應(yīng)曲面及其等值線圖。 焙燒溫度與焙燒時(shí)間和堿料比與焙燒時(shí)間的響應(yīng)曲面均呈類似凸面體，表明其交互作用相似。 圖6 中，隨著堿料比及焙燒時(shí)間增大和延長，砷浸出率提高。 圖7 中，隨著焙燒溫度及焙燒時(shí)間增大和延長，砷浸出率提高。

圖5 堿料比和焙燒溫度對砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

圖6 堿料比和焙燒時(shí)間對砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

由圖5 ～7 可知，增大堿料比、提高焙燒溫度和延長反應(yīng)時(shí)間均能提高白銀爐電收塵中砷浸出率，尤其是提高焙燒溫度。 綜合考慮處理成本及各因素之間的交互作用對白銀爐電收塵中砷浸出效率的影響，優(yōu)化最佳焙燒條件為：堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間1.63 h，為方便操作，焙燒時(shí)間取整為2 h。 在此條件下砷浸出率期望值達(dá)到91.61%。 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在堿料比為1.2、焙燒溫度600 ℃、焙燒時(shí)間2 h條件下得到的EPD 中砷浸出率結(jié)果分別為90.83%、90.59%和90.86%，平均值90.76%，與預(yù)測值91.61%接近，相對誤差僅0.93%，表明優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性與可靠性。

圖7 焙燒溫度和焙燒時(shí)間對砷浸出率影響的三維曲面及等值線圖

2.3 EPD 脫砷渣分析

取優(yōu)化條件下所得EPD 脫砷渣進(jìn)行微觀形貌和物相分析，結(jié)果見圖8。 SEM 圖譜顯示，脫砷渣呈現(xiàn)出形貌較為均一的松散結(jié)構(gòu)，未發(fā)現(xiàn)明顯結(jié)晶體。 XRD圖譜顯示，EPD 脫砷渣中無明顯的三氧化二砷峰或砷化合物的峰，主要物相有硫酸鉛和銅、鉛、鋅等金屬的氧化物等。 證明白銀爐電收塵經(jīng)過低溫堿性焙燒-浸出后，絕大部分砷被選擇性脫除，脫砷渣則主要是鉛、銅、鋅等有價(jià)金屬富集物，可直接返回熔煉系統(tǒng)回收。

3 結(jié) 論

通過考察焙燒過程中堿料比、焙燒溫度、焙燒時(shí)間對砷浸出率的影響，結(jié)合響應(yīng)曲面法的Box-Behnken設(shè)計(jì)優(yōu)化工藝參數(shù)，證明3 個(gè)因素對EPD 中砷浸出率均有影響，其中焙燒溫度對砷浸出率的影響最大。 結(jié)合單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果及Box-Behnken 設(shè)計(jì)優(yōu)化后最終得到的焙燒條件為：堿料比1.2，焙燒溫度600 ℃，焙燒時(shí)間2 h，此時(shí)在設(shè)定的浸出條件下，EPD 中砷浸出率為90.76%，與Box-Behnken 設(shè)計(jì)所得期望值91.61%相近，誤差僅0.93%，表明該優(yōu)化條件的準(zhǔn)確性與可靠性。 在此過程中鉛、鋅、銅、鉍均不浸出，富集在浸出渣中得以綜合回收。

圖8 EPD 脫砷渣的SEM 和XRD 圖譜