CN112813265A - 一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波协同转化分解钙‑砷沉淀物的方法,包括以下步骤:(1)将钙‑砷沉淀物与水按液固比为(2~10):1混合进行调浆,在浸出温度为25~90℃下,通入二氧化碳气体,并引入空化发生装置,使钙‑砷沉淀物与二氧化碳的水溶液进行反应,得到混合料浆;(2)将所述混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液;(3)含砷溶液经蒸发结晶‑碳热还原后制得金属砷。本发明方法可对钙‑砷沉淀物(砷酸钙、亚砷酸钙或者二者混合物)进行快速的转化分解,使钙‑砷沉淀物在超声波空化效应作用下得到砷含量低的碳酸钙,有效提高了钙‑砷沉淀物的转化率,进而降低碳酸钙中砷的含量,最终实现降低企业砷的危废处置费和无害化处置的目的。
Description
技术领域
本发明属于冶金、环保技术领域,具体的说,涉及一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法。
背景技术
砷是一种有毒元素,主要以硫化物的形式存在并伴生于其他金属如:铅、锌、铜等形成的矿物中,在有色金属冶炼及硫酸工业烟气制酸过程中会产生大量的硫化砷渣和高(低)砷废水。这些硫化砷渣和含砷废水中的砷必须以稳定的化合物去除,因此,有色金属冶炼研究领域中砷的去除与无害化处置技术一直是研究的热点。
当前含砷废液处置及砷酸钙或亚砷酸钙分解方法的专利主要有:(1)专利CN201010138190提供了一种氧压转化合成砷酸钙的方法:涉及一种将含砷烟尘或溶液中的砷通过氧压转化并合成为不溶于水的砷酸钙的方法;(2)专利CN201280011956提供了一种用于生产难溶的钙-砷化合物的方法:本发明涉及用于从酸性溶液沉淀五价砷酸钙的方法,先将含有部分五价砷的酸性溶液中和,随后进行砷氧化加入氢氧化钙或氧化钙形成难溶的钙-砷化合物从该溶液沉淀。(3)专利CN201611190920提供了一种分布结晶法制备高稳定性固砷矿物的方法:该发明将含砷溶液中的三价砷经催化氧化为五价砷后,氧化后液采用石灰沉砷法-分布结晶法合成高稳定的固砷矿物,可直接堆存。(4)专利CN201611192966提供了一种水热法制备高稳定性固砷矿物的方法:该发明将含砷溶液中的三价砷经催化氧化为五价砷后,氧化后液采用石灰沉砷法-水热法合成高稳定的固砷矿物,可直接堆存。(5)专利CN201680073830提出了砷的固定方法及含砷玻璃固化体的方法:该发明将在含有铁、二氧化硅及碱性成分的玻璃化材料中添加砷酸钙,从而将砷制成玻璃固化体。(6)专利CN202010066157提供一种含砷废水处理并固化砷的方法:先将含砷废水中的砷以砷酸钙或/ 和亚砷酸钙沉淀的形式分离富集,然后将所得砷的富集物在硫酸铁或硫酸亚铁溶液中氧化,通过常压反应或加压水热反应或常压水热反应,使其中的砷以臭葱石晶体的形式得以固化,所得臭葱石晶体的晶粒发育完整、分布均匀,酸性条件下结构稳定。
从前面专利及国内外研究现状可以看出,大多固砷技术采用的是石灰沉淀法(常压法、水热法),其他采用的还有臭葱石法、玻璃固化法等;这些技术均存在着一定缺陷:(1)石灰沉淀法是常用的硫化砷渣和含砷废水的处理方法,此方法采用石灰来沉淀溶液中的砷,进而产生含砷中间产物-砷酸钙或亚砷酸钙;砷酸钙主要成分为氢氧化钙和砷酸钙盐的混合物,砷的钙盐溶解度较大,化学性质不够稳定,属于危险固废,容易造成二次污染,堆存要求高且需每年按吨缴纳高昂的环保税;因而出于环保、经济考虑,实现砷酸钙渣的经济、环保、安全的无害化处置已经迫在眉睫。(2)臭葱石法是通过常压或加压水热反应将砷沉淀物在含铁溶液中氧化形成臭葱石晶体得以固化,由于臭葱石晶型种类较多,形成稳定晶型的臭葱石条件苛刻(通常需温度160℃以上的加压水热条件下才能形成),因此,通常情况下还存在一部分易溶解的臭葱石,存在处置成本高、沉淀物不够稳定、条件苛刻等不足;(3)玻璃固化法虽然通过高温转型将砷固化实现了砷的无害化,但是由于砷极易挥发,过程控制需防止砷的二次挥发对环境造成污染,再者通常需要加热至1200℃将砷酸钙固体与其他渣(Si、Fe、 Na等)熔融后固化,因此存在着能耗成本很高、经济性差、砷二次污染等问题。
综上所述,目前砷的去除与无害化处置技术常采用石灰沉淀法,且臭葱石法、玻璃固化法本质是将不稳定的砷酸钙或亚砷酸钙固化,并没有实现其资源化。因此,本发明目的在于使钙-砷沉淀物在超声波空化效应作用下生成碳酸钙,能够保证极少量的砷嵌入碳酸钙晶格中,从而得到砷含量低的碳酸钙,碳酸钙可返回冶炼或水处理系统使用,避免了二次含砷固废堆放或掩埋对环境产生二次污染,实现了钙-砷沉淀物无害化、资源化、环保处置的目的。
发明内容
本发明目的在于提供一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,利用本发明方法可对钙-砷沉淀物(砷酸钙、亚砷酸钙或者二者混合物)进行快速的转化分解,有效提高了钙-砷沉淀物的转化率,进而降低碳酸钙中砷的含量,最终实现降低企业砷的危废处置费和无害化处置的目的。
为实现上述目的,本发明是通过如下技术方案实现的:
所述的超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,包括以下步骤:
(1)将钙-砷沉淀物与水按液固比为(2~10):1混合进行调浆,在浸出温度为25~90℃下,通入二氧化碳气体,并引入超声空化发生装置,使钙-砷沉淀物与二氧化碳的水溶液进行反应,得到混合料浆;
(2)将所述混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液;
(3)含砷溶液经蒸发结晶-碳热还原后制得金属砷。
优选的,所述钙-砷沉淀物为用石灰提取含砷溶液中砷得到的钙-砷沉淀物,还可以为市售的砷酸钙和/或亚砷酸钙。
优选的,所述二氧化碳气体为常规工业用二氧化碳或含二氧化碳的工业尾气(如金属砷生产过程产生的二氧化碳尾气、锌冶炼沸腾焙烧炉处理后尾气等)。
优选的,所述超声空化发生装置为能产生超声波的装置,其实际结构不限。
优选的,步骤(1)中,超声空化发生装置的超声波的频率F≥10kHz,功率密度P≥0.3W/cm2。
优选的,步骤(1)中,超声空化发生装置产生的空化效应作用时间为30~600min。
优选的,步骤(1)中,二氧化碳和钙-砷沉淀物中钙元素的摩尔比为1~10∶1。
优选的,步骤(1)中,二氧化碳通入时间为30~600min;二氧化碳转化分解级数为1~10 级。
优选的,步骤(2)中,碳酸钙中的砷含量低于0.05%。
优选的,步骤(3)中,碳热还原温度为300~1200℃、时间为10~600min、还原剂为石墨或焦炭或煤、还原剂用量为C/As摩尔比0.1~5倍。
优选的,步骤(3)中,金属砷中的砷含量≥99.0%。
优选的,步骤(3)碳热还原过程产出的二氧化碳尾气返回钙-砷沉淀物转化分解工序(步骤(1)。
本发明的空化作用原理是:超声波作用于液体时可产生大量空化气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体,甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压,同时产生强大的剪应力。存在于液体中的微气泡(空化核)局部增压峰值可达数百甚至上千大气压和时速400km/h的射流,同时产生瞬间上1000K温度。
由于产生瞬间上1000K温度,使二氧化碳的水溶液与砷酸钙反应速度加快;其次由于破灭过程中局部增压峰值可达数百甚至上千大气压和时速400km/h的射流,产生强大的剪应力使沉积在钙-砷沉淀物表面的碳酸钙剥离出来,使被包裹的钙-砷沉淀物裸露,能够进一步参与反应,从而提高了钙-砷沉淀物的转化率,进而降低了碳酸钙中砷的含量。
转化后的含砷溶液通过蒸发结晶后获得As2O5或As2O3固体,然后通过碳热还原制得金属砷,而过程产生的二氧化碳尾气返回到钙-砷沉淀物转化分解工序,实现了二氧化碳气体的变废为宝。发生的主要化学反应如下:
Ca3(AsO4)2+3CO2+3H2O=3CaCO3+2H3AsO4
Ca3(AsO3)2+3CO2+3H2O=3CaCO3+2H3AsO3
2As2O5+5C=4As+5CO2
2As2O3+3C=4As+3CO2
本发明提供的分解方法使钙-砷沉淀物在超声波空化效应作用下生成碳酸钙沉淀和含砷溶液,加快了反应速率,同时瞬间产生高温高压及剥离砷酸钙表面生成物的作用下,能够保证极少量的砷嵌入碳酸钙晶格中,从而得到砷含量极低的碳酸钙。含砷溶液经蒸发结晶-还原制得单质砷,单质砷无毒、占地小、且可作为产品直接销售,而碳酸钙可返回冶炼或水处理系统使用;同时,钙-砷沉淀物在碳酸钙转化过程中可通入含二氧化碳的工业废气替代工业二氧化碳气体;整个过程实现了钙-砷沉淀物的无害化、资源化、环保处置。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明作进一步的说明,但不以任何方式对本发明加以限制,基于本发明教导所作的任何变换或替换,均属于本发明的保护范围。
实施例1
本实施例采用的原料为向铅阳极泥氧压碱浸液加入理论量1.2倍石灰,得到的砷酸钙渣,该砷酸钙渣含砷29.98%。
将100.00g砷酸钙渣加入到1000mL水中,机械搅拌至形成料浆,在浸出温度为80℃下,通入二氧化碳气体,并引入空化发生装置,二氧化碳和砷酸钙中钙元素的摩尔比为5∶1,二氧化碳通入时间为360min,空化效应作用时间为360min,反应结束后,将混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液。该碳酸钙中的砷含量为0.01%;含砷溶液经蒸发结晶后,在温度800℃、时间60min、还原剂为石墨、还原剂用量为C/As摩尔比4倍的条件下进行碳热还原,制得含砷99.2%的金属砷。
实施例2
本实施例采用的原料为向含砷废水加入理论量1.5倍石灰,得到的含有亚砷酸钙的混合物,该混合物含砷14.56%。
将100.00g含有亚砷酸钙的混合物加入到600mL水中,机械搅拌至形成料浆,在浸出温度为80℃下,通入二氧化碳气体,并引入空化发生装置,二氧化碳和砷酸钙和亚砷酸钙中钙元素的摩尔比为5∶1,二氧化碳通入时间为360min,空化效应作用时间为360min,反应结束后,将混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液;该碳酸钙中的砷含量为0.04%;含砷溶液经蒸发结晶后,在温度1000℃、时间30min、还原剂为焦炭、还原剂用量为C/As 摩尔比2.5倍的条件下进行碳热还原,制得含砷99.0%的金属砷。
实施例3
本实施例采用的原料为向铅阳极泥常压碱浸液加入理论量1.2倍石灰,得到的含有亚砷酸钙的混合物,该混合物含砷21.75%。
将100.00g砷酸钙渣加入到800mL水中,机械搅拌至形成浆液,在浸出温度为80℃下,通入二氧化碳气体,并引入空化发生装置,二氧化碳和砷酸钙和亚砷酸钙中钙元素的摩尔比为5∶1,二氧化碳通入时间为360min,空化效应作用时间为360min,反应结束后,将混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液;该碳酸钙中的砷含量为0.03%;含砷溶液经蒸发结晶后,在温度1200℃、时间120min、还原剂为煤、还原剂用量为C/As摩尔比1.5倍的条件下进行碳热还原,制得含砷99.0%的金属砷。
最后说明的是,以上优选实施例仅用于说明本发明的技术方案而非限制,尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述,但本领域技术人员应当理解,可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变,而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:包括以下步骤:
(1)将钙-砷沉淀物与水按液固比为(2~10):1混合进行调浆,在浸出温度为25~90℃下,通入二氧化碳气体,并引入超声空化发生装置,使钙-砷沉淀物与二氧化碳的水溶液进行反应,得到混合料浆;
(2)将所述混合料浆进行液固分离,得到碳酸钙和含砷溶液;
(3)含砷溶液经蒸发结晶-碳热还原后制得金属砷。
2.根据权利要求1所述的一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:步骤(1)中,超声空化发生装置的超声波的频率F≥10kHz,功率密度P≥0.3W/cm2。
3.根据权利要求1或2所述的一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:步骤(1)中,超声空化发生装置产生的空化效应作用时间为30~600min。
4.根据权利要求1所述的一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:步骤(1)中,二氧化碳和钙-砷沉淀物中钙元素的摩尔比为1~10∶1。
5.根据权利要求1所述的一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:步骤(1)中,二氧化碳通入时间为30~600min;二氧化碳转化分解级数为1~10级。
6.根据权利要求1所述的一种超声波协同转化分解钙-砷沉淀物的方法,其特征在于:步骤(3)中,碳热还原温度为300~1200℃、时间为10~600min、还原剂为石墨或焦炭或煤、还原剂用量为C/As摩尔比0.1~5倍。
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