王永良等：响应曲面法优化Na,S-NaOH体系浸出疏酸烧渣中的砷 ·1037· 有30%的硫酸烧渣用于制造水泥、砖、红瓦等建筑 72.9%,Fe30,为17.3%，具有较大的回收利用价 材料，但大部分烧渣作为废弃物被堆存起来B-.这 值.此外，渣中还含Znl.51%,Au1.4gt-,同样存 不仅占用大量的土地，还可能对堆存地周围的土壤、 在较大的利用价值.但是，由于烧渣中含有0.45% 水体和大气造成严重的环境污染，危害公共健康和 的砷，不利于烧渣的二次资源利用，在进行二次资源 安全 回收利用时应先除去其中的砷 随着矿物资源的不断利用，以及环境保护的需 表1硫酸烧渣中主要有价元素含量（质量分数） 要，从硫酸烧渣中回收有价金属受到越来越广泛的 Table 1 Chemical composition of the pyrite cinders % 关注.硫酸烧渣中除了铁具有较大的回收利用价值 Cu Zn Pb Fe As Au/(g-L-1)Ag/(g-L-1) 外-，还含有少量的Cu、Zn、b、Au、Ag等重金属 0.791.510.9259.390.45 1.40 4.92 和贵金属元素，具有重要的回收价值.但是，硫 铁矿中通常会含有一定量的砷，砷的存在不仅是造 9X0 1一Fe,0 成环境污染的重要原因，还会影响烧渣的二次资源 2-Fe0 8000 3-Si02 利用.在对疏酸烧渣进行二次资源利用前，通常需 4-Cu,FeZnGeS 5-Cu.Zn. 要先去除其中的砷☒.张广伟等)通过重选一化 7000H 学酸洗工艺，除去某硫酸烧渣中大部分的砷，从而实 6000 现对铁资源的利用.常耀超等首先利用酸浸工 5000 艺脱除硫酸烧渣中的砷，并用硫化钠将浸出液中的 4000 砷沉淀下来，进而采用高温氯化工艺提取有色金属. 300 韩远燕与戴惠新的采用磁选一酸浸联合流程去除硫 10 2030 405060708090 酸烧渣中的砷，同时回收其中的铁.因此，目前酸浸 201) 工艺是去除烧渣中砷的主要方法.但酸浸会造成烧 图1硫酸烧渣X射线衍射分析结果 渣中铜、锌、铁等有价元素的大量损失.而在Na2S一 Fig.1 XRD result of the pyrite cinders NaOH体系中浸出砷可以大大减少有价金属的损 经过高温焙烧后的硫酸烧渣，在扫描电镜 失.响应曲面分析是一种最优化的方法，它将体 (SEM,JSM-7OOIF+INCA-MAX)下观察到烧渣的 系的目标响应量作为一个或者多个因素的函数，通 表面形貌如图2所示.图中1处的能谱结果可以看 过合理的实验来设计分析多因素与响应值，通过较 到As的质量分数为0.83%，氧质量分数为 少的试验组数对影响实验的因子及交互作用进行综 28.43%,As可能存在氧化砷或者砷酸铁等形态 合评价以确定最佳水平范围) 1.2实验与测试 本研究拟采用响应曲面法对Na,S一NaOH体系 将一定量烧渣细磨后，加入到250mL锥形瓶 浸出硫酸烧渣中碑的过程进行分析，探讨Na,S浓 中，倒入一定浓度的碱液，置于水浴锅中搅拌(DF一 度、NaOH浓度和反应温度3个主要影响因子对烧 101S集热式恒温加热磁力搅拌器).打开加热器， 渣中砷浸出效率的影响，通过建立响应曲面模型确 水浴升温至指定温度，开始计时为0h.反应完毕 定各影响因子间的交互作用，优化浸出工艺. 后，过滤矿浆液固分离(SHZ一D(Ⅲ)循环水式真空 实验原料与实验方法 泵).浸出渣烘干后采用X射线衍射仪(X'Pet PRO MPD)、电感耦合等离子体发射光谱仪(Optima 1.1实验原料及性质 8000)和原子吸收光谱仪(WFX一130A)测试其中物 本研究所用硫酸烧渣取自中国山东某企业生产 质及含量，扫描电子显微镜对其形貌进行分析.浸 硫酸所得到的尾渣.采用等离子体质谱仪(ICP- 出液采用电感耦合等离子体发射光谱仪和原子吸收 OES,optima8000)和原子吸收光谱仪(AAS,WFX- 光谱仪对其中的As及其他元素进行分析. 130A)对烧渣中的主要有价化学成分进行分析，主 2结果与讨论 要有价元素成分的分析结果如表1所示.X射线衍 射仪(XRD,X'Pert PRO MPD)分析结果如图1所 2.1单因素试验 示，烧渣的主要成分是Fe203和Fe3O4,以及SiO2. 2.1.1Na2S浓度的影响 烧渣中总铁质量分数为59.39%，其中F203为 碱性体系下Na,S可以同氧化砷发生下列反应，王永良等: 响应曲面法优化 Na2 S--NaOH 体系浸出硫酸烧渣中的砷 有 30% 的硫酸烧渣用于制造水泥、砖、红瓦等建筑 材料，但大部分烧渣作为废弃物被堆存起来［3--4］． 这 不仅占用大量的土地，还可能对堆存地周围的土壤、 水体和大气造成严重的环境污染，危害公共健康和 安全［5］． 随着矿物资源的不断利用，以及环境保护的需 要，从硫酸烧渣中回收有价金属受到越来越广泛的 关注． 硫酸烧渣中除了铁具有较大的回收利用价值 外［6--8］，还含有少量的 Cu、Zn、Pb、Au、Ag 等重金属 和贵金属元素，具有重要的回收价值［9--11］． 但是，硫 铁矿中通常会含有一定量的砷，砷的存在不仅是造 成环境污染的重要原因，还会影响烧渣的二次资源 利用． 在对硫酸烧渣进行二次资源利用前，通常需 要先去除其中的砷［12］． 张广伟等［13］通过重选--化 学酸洗工艺，除去某硫酸烧渣中大部分的砷，从而实 现对铁资源的利用． 常耀超等［14］首先利用酸浸工 艺脱除硫酸烧渣中的砷，并用硫化钠将浸出液中的 砷沉淀下来，进而采用高温氯化工艺提取有色金属． 韩远燕与戴惠新［15］采用磁选--酸浸联合流程去除硫 酸烧渣中的砷，同时回收其中的铁． 因此，目前酸浸 工艺是去除烧渣中砷的主要方法． 但酸浸会造成烧 渣中铜、锌、铁等有价元素的大量损失． 而在 Na2 S-- NaOH 体系中浸出砷可以大大减少有价金属的损 失［16］． 响应曲面分析是一种最优化的方法，它将体 系的目标响应量作为一个或者多个因素的函数，通 过合理的实验来设计分析多因素与响应值，通过较 少的试验组数对影响实验的因子及交互作用进行综 合评价以确定最佳水平范围［17］． 本研究拟采用响应曲面法对 Na2 S--NaOH 体系 浸出硫酸烧渣中砷的过程进行分析，探讨 Na2 S 浓 度、NaOH 浓度和反应温度 3 个主要影响因子对烧 渣中砷浸出效率的影响，通过建立响应曲面模型确 定各影响因子间的交互作用，优化浸出工艺． 1 实验原料与实验方法 1. 1 实验原料及性质 本研究所用硫酸烧渣取自中国山东某企业生产 硫酸所得到的尾渣． 采用等离子体质谱仪( ICP-- OES，optima 8000) 和原子吸收光谱仪( AAS，WFX-- 130A) 对烧渣中的主要有价化学成分进行分析，主 要有价元素成分的分析结果如表 1 所示． X 射线衍 射仪( XＲD，X’Pert PＲO MPD) 分析结果如图 1 所 示，烧渣的主要成分是 Fe2 O3 和 Fe3 O4，以及 SiO2 ． 烧渣中总铁质量分数为 59. 39% ，其 中 Fe2 O3 为 72. 9% ，Fe3 O4 为 17. 3% ，具有较大的回收利用价 值． 此外，渣中还含 Zn1. 51% ，Au 1. 4 g·t － 1，同样存 在较大的利用价值． 但是，由于烧渣中含有 0. 45% 的砷，不利于烧渣的二次资源利用，在进行二次资源 回收利用时应先除去其中的砷． 表 1 硫酸烧渣中主要有价元素含量( 质量分数) Table 1 Chemical composition of the pyrite cinders % Cu Zn Pb Fe As Au /( g·L － 1 ) Ag /( g·L － 1 ) 0. 79 1. 51 0. 92 59. 39 0. 45 1. 40 4. 92 图 1 硫酸烧渣 X 射线衍射分析结果 Fig． 1 XＲD result of the pyrite cinders 经过高温焙烧后的硫酸烧渣，在扫 描 电 镜 ( SEM，JSM--7001F + INCA--MAX) 下观察到烧渣的 表面形貌如图 2 所示． 图中 1 处的能谱结果可以看 到 As 的 质 量 分 数 为 0. 83% ，氧 质 量 分 数 为 28. 43% ，As 可能存在氧化砷或者砷酸铁等形态． 1. 2 实验与测试 将一定量烧渣细磨后，加入到 250 mL 锥形瓶 中，倒入一定浓度的碱液，置于水浴锅中搅拌( DF-- 101S 集热式恒温加热磁力搅拌器) ． 打开加热器， 水浴升温至指定温度，开始计时为 0 h． 反应完毕 后，过滤矿浆液固分离( SHZ--D( III) 循环水式真空 泵) ． 浸出渣烘干后采用 X 射 线 衍 射 仪( X’Pert PＲO MPD) 、电感耦合等离子体发射光谱仪( Optima 8000) 和原子吸收光谱仪( WFX--130A) 测试其中物 质及含量，扫描电子显微镜对其形貌进行分析． 浸 出液采用电感耦合等离子体发射光谱仪和原子吸收 光谱仪对其中的 As 及其他元素进行分析． 2 结果与讨论 2. 1 单因素试验 2. 1. 1 Na2 S 浓度的影响 碱性体系下 Na2 S 可以同氧化砷发生下列反应， · 7301 ·