冶金廢水處理中銀提純動力學(xué)分析

張松柏，周 興

（云南滇金投資有限公司，云南 昆明 650215）

在冶金過程中，其排出的廢水大部分是采用石灰加鐵鹽沉淀的方法處理得出，同時(shí)在排放大量廢水的同時(shí)，其中還含有大量的污泥成分。這些污泥不僅含有大量有毒、有害的物質(zhì)，例如鉛、砷等化合物元素，同時(shí)還含有少部分能夠用于回收的有價(jià)金屬，例如銀、金、銅等。當(dāng)前大部分冶金企業(yè)在冶金作業(yè)后產(chǎn)生的廢水當(dāng)中有害物質(zhì)的含量都沒有滿足國家規(guī)定的危險(xiǎn)廢物浸出限定范圍要求，若不對廢水進(jìn)行無害化處理，則將其長期暴露在外界環(huán)境當(dāng)中，對于周圍環(huán)境以及空氣等都會造成十分嚴(yán)重的威脅，并且還會造成大量資源的浪費(fèi)。當(dāng)前，隨著國家經(jīng)濟(jì)發(fā)展的速度不斷加快，人們對于礦產(chǎn)資源的需求量成倍增漲，而有色金屬的供需矛盾問題日益突出[1]。針對這一問題，開展有關(guān)冶金廢水處理中有價(jià)金屬元素的提取和回收具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。因此，本文將以某有色金屬冶金企業(yè)作為依托，在實(shí)現(xiàn)對其冶金廢水組分以及銀金屬元素賦存狀況的基礎(chǔ)上，開展冶金廢水處理中銀提純動力學(xué)分析研究。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)對象

選擇以某有色金屬冶金企業(yè)在完成冶煉后得到的廢水作為本文實(shí)驗(yàn)的研究對象，并對廢水當(dāng)中各成分含量進(jìn)行測量和記錄，得到如表1所示的成分含量一覽表。

表1 冶金廢水處理中各成分含量一覽表

從表1可以看出，在實(shí)驗(yàn)對象當(dāng)中含有多種不同的有色金屬元素，本文僅針對其中銀元素在提純過程中的動力學(xué)進(jìn)行分析研究。

1.2 實(shí)驗(yàn)材料與設(shè)備

在實(shí)驗(yàn)過程中所需的材料試劑主要包括硫酸、乙二胺四乙酸二鈉等組成的浸出劑，同時(shí)上述試劑的純度均為化學(xué)純度等級。在實(shí)驗(yàn)過程中所需的提純設(shè)備和測量儀器主要包括：精密pH計(jì)，選用PHSJ-3F型號上海雷磁生產(chǎn)的精密酸度計(jì)，該型號酸度計(jì)可通過Smart-Read實(shí)現(xiàn)對測量參數(shù)的讀取，同時(shí)，通過Timed-Read，完成對數(shù)據(jù)的自動定時(shí)存貯；電熱鼓風(fēng)恒溫干燥箱，選用DHG-9920A(1000L)型號I型250°C干燥箱，該型號干燥箱內(nèi)膽采用304不銹鋼制作，能夠保證在使用的過程中不被腐蝕，不會由于內(nèi)膽腐蝕而造成測定結(jié)果出現(xiàn)誤差的問題產(chǎn)生，同時(shí)該設(shè)備上配備了數(shù)字屏幕，能夠?qū)囟?、時(shí)間等參數(shù)進(jìn)行可視化展示[2]。除此之外，該型號干燥箱的電源電壓為AC380V 50HZ，控溫范圍為室溫+10℃～250℃；六聯(lián)電動攪拌器，主要用于對冶金廢水處理后產(chǎn)生的污泥以及各類試劑加入后進(jìn)行攪拌。除上述選擇的儀器設(shè)備以外，為了實(shí)現(xiàn)對銀提純過程中的動力學(xué)參數(shù)測量，還引入XRD-X4164-160型號射線衍射儀和TJA162-6510型號電感耦等離子體發(fā)射光譜儀。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)驗(yàn)開始后，首先稱取25g冶金廢水處理后通過烘干處理得到的污泥樣本，將其放置在容量為250mL的燒杯當(dāng)中。按照規(guī)定的固液比例，在標(biāo)準(zhǔn)pH條件下，引入適量的浸銀試劑，并將該燒杯放置在恒溫水浴鍋當(dāng)中，當(dāng)加熱到一定溫度后進(jìn)行攪拌，并觀察其反應(yīng)情況。待反應(yīng)完畢后，將燒杯從恒溫水浴鍋當(dāng)中去除，并對其進(jìn)行抽濾處理[3]。此時(shí)濾液當(dāng)中含有大量銀金屬元素，可利用上述選擇的TJA162-6510型號電感耦等離子體發(fā)射光譜儀對銀元素的含量進(jìn)行吸光光度法測定。將上述選擇的浸取劑按照一定用量要求和溫度條件設(shè)定，并通過正交實(shí)驗(yàn)的方式，對最佳選取的浸銀工藝進(jìn)行動力學(xué)機(jī)理分析。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

在實(shí)驗(yàn)過程中，將固液比例為1∶3，pH為2，溫度為30℃時(shí)，不同攪拌速率下銀金屬元素的浸出情況記錄，并將其繪制成如圖1所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖。

圖1 不同攪拌速率條件下銀元素浸出情況變化曲線

從圖1中可以看出，在其他條件不變的情況下，隨著攪拌速率的增加，在250r/min～450r/min范圍內(nèi)，銀金屬元素的浸出量呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢，而隨之在450r/min以后，出現(xiàn)緩慢的下降。

完成上述實(shí)驗(yàn)記錄后，再確保其他條件不變，改變浸出過程中溫度條件的情況下，對銀金屬元素的溶解量與溶解時(shí)間的對應(yīng)關(guān)系進(jìn)行記錄，并將得出的結(jié)果繪制成表2所示。

表2 不同溫度條件下銀金屬元素溶解量與時(shí)間關(guān)系

從表2可以看出，當(dāng)溫度為25°C時(shí)，隨著時(shí)間的額增加銀金屬元素的溶解量與其他溫度相同時(shí)間相比更多。同時(shí)，不同溫度條件下，銀金屬元素的溶解量變化均在0～2h呈現(xiàn)出快速上升的趨勢，在2h之后上升幅度逐漸減緩。

最后，針對不同浸出劑濃度條件下銀金屬元素的溶解速率變化情況進(jìn)行記錄得出表3所示結(jié)果。

表3 不同浸出劑濃度條件下銀金屬元素溶解速率

從表3記錄結(jié)果可以看出，隨著浸出劑濃度的不斷增加，銀金屬元素的溶解速率呈現(xiàn)出不斷上升的變化趨勢。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

結(jié)合上述得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對銀金屬元素在提純過程中的動力學(xué)進(jìn)行分析。在實(shí)驗(yàn)中，銀金屬元素的浸出反應(yīng)表現(xiàn)出一種液固非均相反應(yīng)的狀態(tài)。通常情況下，液固非均相反應(yīng)時(shí)浸出的速率和反應(yīng)過程中的諸多因素相關(guān)，例如溫度條件、反應(yīng)物條件、生成物在界面位置上的濃度等。同時(shí)，在提純過程中，浸出劑會經(jīng)過固體表面形成的液膜層向固相表面逐漸擴(kuò)散。在整個提純反應(yīng)過程中，相對較慢的一個環(huán)節(jié)為整個反應(yīng)實(shí)際速率的決定步驟。通過對上述實(shí)驗(yàn)得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖1可以進(jìn)一步分析得出，在相同的反應(yīng)條件下，當(dāng)攪拌速度不斷提升時(shí)，銀提純的浸出率會呈現(xiàn)出不斷增長的趨勢，但在450r/min及以后，由于攪拌轉(zhuǎn)速過快，造成了液體飛濺的問題產(chǎn)生，因此在一定程度上影響了銀金屬元素的浸出效率，使得圖1中后期曲線的變化幅度呈現(xiàn)出逐漸遞減的趨勢。再從提純動力學(xué)角度進(jìn)一步分析，銀金屬元素的浸出率還會隨著攪拌的速率改變而改變，因此得出在銀提純過程中，擴(kuò)散現(xiàn)象為整個提純過程的控制步驟。

為了能夠進(jìn)一步確定在銀提純過程中的控制步驟，通過改變溫度條件的方式，得到了如表2所示的不同溫度條件下銀金屬元素溶解量與時(shí)間關(guān)系。從表2得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，在其他條件保持不變的情況下，通過改變反應(yīng)的溫度，銀的提純速率與溫度之間存在一定關(guān)系。通過對提純過程中不同溫度下得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合得出，浸出劑提純銀金屬元素的過程中，控制銀金屬勻速提純動力學(xué)改變的步驟為固膜擴(kuò)散控制，并且其參數(shù)的變化滿足收縮核動力學(xué)理論。除此之外，在實(shí)驗(yàn)過程中發(fā)現(xiàn)，將上述表2作為基礎(chǔ)，將熱力學(xué)溫度條件的倒數(shù)作為自變量，將銀金屬元素的溶解速率的負(fù)對數(shù)作為因變量，能夠得出二者之間存在一定正比例關(guān)系。同時(shí)，銀金屬元素的溶解量會隨著浸出劑濃度的變化而變化，通過對不同浸出劑濃度條件下銀金屬元素的溶解速率變化情況，再結(jié)合表3中的數(shù)據(jù)分析得出，將浸出劑的負(fù)對數(shù)作為自變量，將因溶解速率的負(fù)對數(shù)作為因變量，二者呈現(xiàn)出斜率固定不變的線性關(guān)系，當(dāng)浸出劑的濃度達(dá)到0.158mol/L時(shí)，此時(shí)銀金屬元素的溶解速率可以達(dá)到0.031mol/L，此時(shí)溶解速率是浸出劑濃度為0.054mpl/L時(shí)的二倍。考慮到冶金廢水處理的經(jīng)濟(jì)效益，在實(shí)際應(yīng)用中，可將浸出劑的濃度控制在0.10mol/L～0.15mol/L，以此達(dá)到最佳的銀溶解速率。通過上述論述，從三個方面實(shí)現(xiàn)對銀提出動力學(xué)的全面分析。

4 結(jié)語

結(jié)合本文上述論述內(nèi)容，針對冶金廢水處理當(dāng)中銀金屬元素的提純動力學(xué)，采用實(shí)驗(yàn)的方式對其進(jìn)行分析。通過分析研究得出，當(dāng)浸出劑的濃度在0.10mol/L～0.15mol/L，用量為95kg/t時(shí)，此時(shí)銀金屬元素的提純效率最佳，銀的總浸出率能夠得到95%以上。同時(shí)，將本文上述得出的研究結(jié)果應(yīng)用到對冶金廢水處理的治理和資源綜合利用當(dāng)中，具有更高的理論指導(dǎo)意義，可為冶金企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。