超声波强化铜冶炼酸性含砷废液臭葱石沉淀除砷的基础研究

Arsenic pollution is a global difficult problem which needs to solve as soon as possible. Traditional technologies on arsenic precipitation from waste solution with arsenic are easy to cause environmental pollution. Scorodite is recognized internationally as the best precipitation of arsenic compounds. Unforunately, the existing production technologies of scorodite such as hydrothermal syntheses or atmospheric pressure require stringent controlled conditions and they are extremely difficult to come true. Arsenic precipitation as scorodite from copper smelting waste solution with arsenic and sulphuric acid will be carried out by ultrasonic technology in this program. The ultrasonic properties of the solution, precipitation processes of scorodite, leaching properties of scorodite, formation reaction kinetics and crystallization kinetics of scorodite under ultrasonic field will be studied systemically. The ultrasonic characters of the solution, the relationship between the formation conditions of scorodite and its’ structure, performance and leaching stability will be revealed. The formation reaction kinetics equation, nucleation rate and growth rate equation of scorodite unde ultrasonic field will be established. The key scientific item on nucleation and crystal growth of scorodite will be accounted. The basic theories of scorodite precipitation from the solution under ultrasonic field will be established, which will provide theoretical guidance for the technology. It will enrich the content.of arsenic removal from waste solution with arsenic and it’s of an important scientific significance to develop the basic theoretical system of arsenic removal from waste solution with arsenic.

砷污染是亟待解决的世界性难题。针对含砷废液传统沉砷易造成环境污染、臭葱石是国际公认的最佳砷沉淀化合物，但现有高温高压或常压技术需要高度受控的条件且实施难度极大等问题。本项目以铜冶炼酸性含砷废液为研究对象，采用超声波技术强化其臭葱石沉淀除砷，系统对铜冶炼酸性含砷废液声场性质、超声波强化其臭葱石沉砷过程及臭葱石浸出稳定性、超声场下臭葱石生成宏观反应动力学和臭葱石结晶动力学进行研究，揭示铜冶炼酸性含砷废液声场性质和超声场下臭葱石形成条件与臭葱石组成、结构性能及浸出稳定性之间的关系，创建超声场下臭葱石生成宏观反应动力学方程、臭葱石成核速率和生长速率方程，重点解决：超声场下铜冶炼酸性含砷废液臭葱石晶核形成与晶体生长规律的关键科学。通过研究，建立超声波强化铜冶炼酸性含砷废液臭葱石沉淀除砷的基础理论体系，为该技术提供理论依据。该研究将丰富含砷废液除砷内容，对发展含砷废液除砷基础理论体系具有重要科学意义。

在铜冶炼烟尘综合回收有价金属时，会产生大量含砷废液，亟待无害化/稳定化处理。本项目采用超声波技术强化含砷废液臭葱石沉淀除砷，在项目执行过程中，主要完成了以下研究内容：（1）对铜冶炼酸性含砷废液声场性质进行了研究，结果表明：有价金属离子浓度的增加减弱了超声效应，而O2对超声效应具有促进作用；超声场为漩涡状分布，超声强度与超声振子或变幅杆跟反应区域的距离成反比，声压沿超声传播方向不断衰减；高超声频率时超声以简谐运动方式传播，超声效应衰减变缓。（2）对臭葱石沉淀除砷过程及臭葱石沉淀浸出稳定性进行了研究，获得了臭葱石生成最佳工艺条件：溶液砷含量越高越有利于生成臭葱石，本项目砷浓度>40g/L，反应温度>90℃，时间2~3h，Fe/As摩尔比~2，pH2.5~4.5，在此条件下，砷脱出率>95%，对生成的臭葱石的稳定性进行了考察，在pH为6~8、常温条件下，砷的浸出率<5mg/L。（3）对臭葱石生成宏观反应动力学进行了研究，明确了在主要影响条件下含砷废液沉淀除砷的时间选择和控制，即在优化Fe/As摩尔比的条件下，当反应时间大于3h时，砷的脱除率>94.9%；在初始pH为3的条件下，2h时，砷的脱除率>98%；在50~90℃温度范围内，砷的脱出率均>95%，高温有利于提高砷的脱除率并缩短砷的脱除时间；在优化超声功率强度下，砷的脱除率均>95%。（4）对臭葱石结晶动力学进行了研究，结果表明：超声介入，臭葱石结晶成核诱导期大大缩短，输入功率越大，对晶核生成的强化作用越明显。当晶核逐渐长大到一定的晶体尺寸后，晶体会被超声振碎，破碎的晶体可作为新的晶种，进一步促进晶体的生长，晶体在表面各个方向上的成长速率的不均匀性受到抑制，所得晶核均匀、完整、光洁，臭葱石粒度直径分布在1~100μm之间。通过本项目的执行，建立了超声波强化铜冶炼酸性含砷废液臭葱石沉淀除砷的技术基础，对发展含砷废液除砷基础理论体系具有重要科学意义。