李志強，陳文汨，金承永

（1.錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司，湖南 冷水江 417500；2.中南大學，湖南 長沙 410083）

·冶 金·

分步結晶法分離砷堿的工藝研究

李志強1，2，陳文汨2，金承永1

（1.錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司，湖南 冷水江 417500；2.中南大學，湖南 長沙 410083）

在開展煉銻砷堿渣綜合回收利用關鍵技術研究中，針對砷、堿難以分離的技術難題，研究在高溫條件下，利用砷酸鈉和碳酸鈉在溶解度上的差異，采用分步結晶的方法，優(yōu)先結晶分離出碳酸鈉，實現砷酸鈉和碳酸鈉高效分離，并探討了結晶堿通過飽和碳酸鈉溶浸繼續(xù)深度分離砷堿的工藝，分離獲得的砷酸鈉復合鹽能達到市場上用作玻璃澄清劑需要的砷酸鈉復合鹽要求。

分步結晶；砷酸鈉；碳酸鈉

我國是銻的儲藏、生產、出口和消費大國，銻品產量占世界的80%以上。我國銻冶煉生產95%以上為火法，最具有代表性的是錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司處理硫化銻精礦和廣西河池地區(qū)處理脆硫鉛銻礦的火法流程。目前我國堆存的砷堿渣達5萬多t，含砷量超過5000 t以上，迫切需要研發(fā)其處理技術，以緩解日益嚴重的環(huán)境危害和資源短缺問題［1～3］。

砷堿渣是銻冶煉企業(yè)產生的一種危險固體廢棄物，處理含砷銻礦時，全部砷都被氧化揮發(fā)，在還原熔爐中進入粗銻。在反射爐還原熔煉工藝煉銻過程中，工業(yè)上采用堿性精煉法使砷優(yōu)先氧化而被除去，產出各種型號的精銻，同時產生的廢渣叫一次砷堿渣。一次砷堿渣中的主要成分是純堿（碳酸鈉）、砷及其化合物和銻及其化合物，三類物質的含量分別為：碳酸鈉約占53%、砷及其化合物約34%、銻及其化合物約占11%。因一次砷堿渣中含銻較高，將一次砷堿渣投入反射爐進行處理，這一過程產生的渣稱為二次砷堿渣。砷堿渣中的砷及其化合物有劇毒，且易溶于水，若保管不善極易引起砷污染事件。

銻冶煉砷堿渣的綜合回收利用一直是銻冶煉的一大難道。由于銻冶金過程的砷堿渣中的砷是以砷酸鈉形式存在，劇毒且易溶于水，因此不宜露天存放［4，5］。目前，僅世界銻都——錫礦山就貯存有1萬多t砷堿渣，每年還有400 t左右的增加量，預計全國砷堿渣的堆存量己高達5萬多t，并且每年的新增產量在0.5～1萬t左右。占全國年產量近一半的大中型冶煉廠對砷堿渣采用專用渣庫房進行了妥善堆存，而小型冶煉廠的砷堿渣基本上是露天堆存，危害極大，一旦泄漏將對自然環(huán)境和人們生命造成嚴重的危害。

國內已發(fā)生多起因貯存不當泄漏而造成砷堿渣污染水體和人畜中毒事故：1961年錫礦山就曾經發(fā)生砷堿渣泄漏重大事故，造成兩百多人中毒，六人死亡。近幾年，在國內一些煉銻廠區(qū)，類似事件時有發(fā)生，影響極大。

國外專門針對煉銻砷堿渣處理的研究極少，大部分集中在含砷廢渣及廢水的處理。國外在無害化處理砷渣時，通常采用沉淀法、固定化或穩(wěn)定化處理。砷渣利用集中于高純砷的提取制備高附加值產品的 研 究［6～10］。

國內砷堿渣處理有多種方式：堆存、火法、濕法等。由于沒有有效、經濟回收利用砷堿渣的技術，目前的砷堿渣仍然普遍采用堆存的方式［11，12］。全國范圍內，目前只有錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司對煉銻砷堿渣進行了系統(tǒng)的綜合回收利用［13～16］，從20世紀60年代開始，一直在進行砷堿渣的綜合回收利用研究，研究試驗費近千萬元，先后建成投產鈣渣法、純堿-砷酸鈉混合鹽法、燒堿-砷酸鈉混合鹽法三條生產線，都未取得好的效果。湖南辰州礦業(yè)對砷堿渣進行了部分回收處理，也沒有解決砷銻徹底分離、砷堿高效分離的難題，產出的砷酸鈉復合鹽沒有進行干燥，只能堆存，使得砷堿渣轉化成毒性更大的砷酸鈉存在。其它企業(yè)的砷堿渣都是采用庫房堆放的方式。

研究以分步結晶砷堿高效分離關鍵技術為突破口，實現砷堿的高效分離，并進行工業(yè)試驗，解決產業(yè)化的關鍵技術，進行技術集成和工程示范，獲得純度較高、質量穩(wěn)定、符合市場需要的砷酸鈉產品（砷酸鈉含量＞35%）和含砷低的碳酸鈉產品（砷酸鈉含量＜1%），實現砷、堿的綜合回收利用（砷回收率 ＞95%），最終實現砷、堿、銻的綜合回收利用，達到消除砷堿渣對環(huán)境和人們身心健康危害、為銻冶金工業(yè)發(fā)展提供解決環(huán)保瓶頸的關鍵性技術的目的。

1 試驗原料、原理及流程

1.1 試驗原料

試驗原料為某公司堆存的二次砷堿渣，其物相分析見表1。

表1 二次砷堿渣中砷和銻的物相分析 %

來自湖南辰州礦業(yè)的二次砷堿渣通過ICPAES分析和XRD分析，其各組分含量及物相組成見表2。其中主要含有鈉、砷、銻三種元素，分別為32.05%、9.78%和1.75%，還含有其它元素如Al、Si、S等。

表2 二次砷堿渣中各元素含量分析

由表1砷堿渣物相分析可以看出，二次砷堿渣中的砷大部分以砷酸鈉為主，含量高達96.25%，此外還含有少量的亞砷酸鈉和硫代亞砷酸鈉，而單質砷的含量僅為0.43%。二次砷堿渣中的銻主要以單質銻和亞銻酸鈉形態(tài)為主，分別達到17.65%和81.23%，而銻酸鈉和硫代亞銻酸鈉的含量較少［17，18］。

1.2 試驗原理

研究不同溫度下碳酸鈉、砷酸鈉及其混合體系內兩者的溶解度特性，了解砷酸鈉、碳酸鈉在砷酸鈉-碳酸鈉混合溶液中能否利用其不同溫度下溶解度的差異通過結晶析出，為實現砷酸鈉和碳酸鈉的分離奠定一定的理論基礎。

1.2.1 不同溫度下碳酸鈉的溶解度

不同溫度下碳酸鈉的溶解度如圖1所示。

圖1 碳酸鈉的平衡溶解度

從圖1中可見，碳酸鈉的溶解度在低于35℃時，隨溫度升高而增大，且增大速度較快。在溫度超過35℃以后，溶解度不再增大反而有緩緩降低的趨勢，溶解度降低幅度不明顯?？烧J為碳酸鈉的溶解度在35℃或35～40℃之間達到最大。

1.2.2 不同溫度下砷酸鈉的溶解度

不同溫度下砷酸鈉的溶解度如圖2所示。

圖2 砷酸鈉的平衡溶解度

從圖2中可見，砷酸鈉的溶解度在低于50℃時變化不大，約為40g／100g水左右；當溫度大于50℃后，隨著溫度的提高，砷酸鈉的溶解度迅速增大，在80℃時溶解度達到90g／100g水。

1.2.3 溫度對混合溶液中碳酸鈉及砷酸鈉溶解度的影響

溫度對混合溶液中碳酸鈉及砷酸鈉溶解度的影響如圖3所示。

圖3 混合溶液中的平衡溶解度

從圖3中可見，低溫時，混合液中砷酸鈉的溶解度較小；較高溫度時（如80℃），砷酸鈉的溶解度比碳酸鈉的溶解度高出約40g／100g水。通過調整溫度進行混合砷堿溶液中砷酸鈉與碳酸鈉的溶浸分離，理論上是可行的。

1.2.4 結晶堿溶浸分離砷堿

如前所述，在80℃時，砷酸鈉的溶解度比碳酸鈉的溶解度高出約40g／100g水。因此可以研究采用飽和碳酸鈉溶液浸出結晶堿，進一步分離砷堿。

1.3 試驗流程和方法

試驗采用的工藝流程如圖4所示。

從溶解度差異特性曲線可知，在溫度大于60℃以后，碳酸鈉和砷酸鈉的溶解度差異大；同時脫銻后液中碳酸鈉的濃度為180～210g／L，砷酸鈉的濃度為25～40g／L，因此可以利用脫銻后液及碳酸鈉和砷酸鈉復合體系溶解度特點，在高溫下進行結晶，優(yōu)先分離出碳酸鈉。目標是優(yōu)先分離出60%～80%碳酸鈉。

實驗方法：利用碳酸鈉、砷酸鈉在不同溫度區(qū)間內溶解度的差異，將混合液加熱蒸發(fā)濃縮至過飽和狀態(tài)，然后采用高溫保溫結晶后低溫結晶的分步結晶法，實現碳酸鈉和砷酸鈉最大程度分離。

溶液蒸發(fā)過程中，通過測定溶液的密度來控制濃縮液的過飽和度。

每次試驗均將砷堿渣脫銻氧化液加熱濃縮至過飽和，然后分步結晶，碳酸鈉產品則分步結晶出來。所得晶體XRD圖如圖5所示，主要成分為碳酸鈉。

圖4 分步結晶分離堿工藝流程

圖5 結晶堿XRD分析

高溫分步結晶實驗中，控制第一次濃縮液密度為1.36～1.40g／cm3，第二次濃縮液密度為1.42～1.45g／cm3，第三次濃縮液密度為1.50～1.55g／cm3，每步保溫結晶時間均為3 h。在該條件下研究了結晶溫度（50～90℃）對總堿回收率的影響，以及對各步結晶環(huán)節(jié)的堿分離程度和結晶堿質量（堿中含砷量）的影響。

2 試驗結果與討論

2.1 結晶溫度對總堿回收率的影響

結晶溫度對總堿回收率的影響見表3。

表3 不同結晶溫度時的砷堿分離效果

從表3可見，80℃時，砷堿分離效果是最好的，90℃時次之，50℃最差。高溫分步結晶三次后，可分離二次砷堿渣溶液中總堿量的60%～80%。

2.2 結晶溫度對砷堿分離系數的影響

結晶溫度對砷堿分離系數的影響見表4。

表4 溫度對三次結晶的砷堿分離系數的影響

從表4可見，80℃時，砷堿分離系數最高，90℃時次之，50℃分離系數最低；三次高溫結晶的溫度在80～90℃較為合適。

2.3 結晶溫度對結晶堿中含砷量的影響

結晶溫度對結晶堿中含砷量的影響見表5。

表5 溫度對三次結晶堿中含砷量的影響

從表 5可見，當結晶溫度為50℃時，二次結晶和三次結晶所產堿中含砷較低，80℃時次之。但結合表3和表5可以分析出，50℃一次結晶時60%的砷已經結晶析出，此時結晶堿中含砷高達7.28%，而80℃一次結晶堿中含砷只有1.21%。

綜合考慮，結晶溫度以80℃為宜，可以大幅減少三次結晶堿中含的總砷。

2.4 最優(yōu)結晶溫度及分離效果

通過實驗比較不同溫度下砷堿溶液三次結晶分離出碳酸鈉的總回收率，砷含量等參數，確定了最優(yōu)結晶溫度為80℃，此溫度下分離效果見表6。

表6 最優(yōu)溫度（80℃）下砷堿分離效果

2.5 結晶堿溶浸分離砷堿

氧化除銻后液經過高溫分步結晶分離砷堿后，三次結晶堿中砷含量依然分別達到1.21%、2.01%和2.57%，而一般情況下，工業(yè)生產時結晶堿中的含砷量會更高，若不分離，此類結晶堿返回銻冶煉系統(tǒng)使用將達不到理想的效果，因此需要進一步分離提純，深度分離砷堿。采用飽和碳酸鈉溶液浸出結晶堿，進一步分離砷堿。

2.5.1 溶浸因素分析

對結晶堿溶浸影響因素溶浸溫度、溶浸時間和液固比進行了正交實驗。正交實驗結果見表7。

表7 溶浸正交實驗

從表7可見，升高液固比，提高溶浸溫度，有助于堿中含砷的浸出，而溶浸時間由10 min提高20 min時，溶浸效果反而有下降的趨勢；就砷含量或溶浸率而言，影響因素依次為溫度、液固比、時間；最佳條件為80℃、2∶1和10 min。

2.5.2 飽和碳酸鈉溶液循環(huán)次數對溶浸效果的影響

控制溶浸結晶分離砷堿的工藝條件為：溫度80℃、液固比2∶1、溶浸時間10 min，考察了飽和碳酸鈉溶液循環(huán)使用四次的溶浸效果，對結晶堿中含砷的溶浸效果如圖6所示，對飽和碳酸鈉溶液中的堿含量的影響如圖7所示。

圖6 循環(huán)次數與堿中含砷的關系

圖7 循環(huán)次數與溶液中堿含量的關系

從圖6和圖7中可見，當飽和溶液循環(huán)三次以內時，對堿中含砷有較強的溶浸能力，可使溶浸后的堿中含砷量大大降低，結晶堿含量也都超過了75%，第一次溶浸后甚至達到了84.11%，大大提高了結晶堿中的堿含量。但第四次循環(huán)使用時，飽和碳酸鈉溶液對堿中含砷的溶浸能力急劇降低，不能有效去除堿中的砷，溶浸后的結晶堿中堿含量仍然低于70%，分離效果不好。因此，應控制飽和碳酸鈉溶液溶浸循環(huán)次數在三次以內。

3 效果分析

3.1 環(huán)境效益分析

針對嚴重危及湘江流域飲用水安全的大量堆存歷史遺留砷堿渣污染問題，以減少砷堿渣的環(huán)境污染和實現砷銻高效分離、砷堿高效分離與綜合利用為目標，突破價態(tài)調控砷銻深度分離、分步誘導結晶砷堿高效分離等關鍵技術，形成砷堿渣綜合回收利用工程技術，建設5 000 t／a的工程示范。在實驗研究基礎上進行了中試，中試研究完成后，錫礦山閃星銻業(yè)有限責任公司從2011年底即開始設計示范工程生產線，在2012年12月下旬建成投料試生產。建設5 000 t／a的工程示范試生產表明整個工藝過程沒有“三廢”產生，實現砷、銻回收率95%以上。為我國大量堆存的砷堿渣清潔資源化利用、消除砷堿渣環(huán)境安全隱患、解決銻冶金工業(yè)發(fā)展的環(huán)保技術瓶頸并實現可持續(xù)發(fā)展提供了可行技術。

3.2 經濟效益分析

建設5 000 t／a的工程示范。綜合回收利用了砷堿渣中的銻、砷、堿，實現砷、銻回收率95%以上，新工藝與原工藝比較也有了較大進步，年回收利用并減排砷240 t、銻730 t、堿1 600 t，可年增經濟效益2 000萬元以上，經濟效益顯著。

新工藝與原工藝經濟指標對比見表8。

表8 新工藝與原工藝經濟指標對比

4 結 論

通過研究不同溫度下碳酸鈉和砷酸鈉混合體系兩者的溶解度，在砷堿渣浸出脫銻后溶液的高溫分步結晶過程中，考察了結晶溫度、結晶時間、溶液成分和過飽和度、結晶次數對砷堿分離的影響，并探討了結晶堿通過飽和碳酸鈉溶浸繼續(xù)深度分離砷堿的工藝，進行了工業(yè)試驗，最后成功應用于5 000 t／a示范工程生產線，主要得到如下結論：

1.碳酸鈉和砷酸鈉溶解度在40℃以下相近，40℃以上溶解度差異逐漸增大，在80℃時差別達40g／100g水。為高溫分步結晶初步分離砷堿、結晶堿采用溶浸技術高效分離砷堿提供了依據。

2.高溫結晶溫度區(qū)間為80～90℃；分步結晶3次；母液第一次濃縮控制密度在1.36～1.40g／cm3，第二次濃縮控制密度在1.42～1.45g／cm3，第三次濃縮控制在1.50～1.55g／cm3，可以分離總堿量的60%～80%。

3.高溫結晶堿進行溶浸，最佳工藝條件是：溫度80℃、液固比2∶1、溶浸時間 10 min、飽和碳酸鈉溶液循環(huán)使用三次。結晶堿通過溶浸后，堿中含砷可以穩(wěn)定小于0.6%，堿含量可以穩(wěn)定大于75%。

4.采用高溫分步結晶-溶浸高效分離砷堿的技術路線，經過中試驗證可以實現砷堿的高效分離，5 000 t／a示范線試生產也證明可行，堿中含砷較現有技術降低80%以上，可返回銻冶煉系統(tǒng)使用，此外分離獲得的砷酸鈉復合鹽能達到市場上用作玻璃澄清劑需要的砷酸鈉復合鹽要求，實現了綜合回收利用砷堿渣中砷、堿的目的。

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The Process Research for Separation of Arensic-alkali Residue by Fractional Crystallization

LI Zhi-qiang1，2，CHEN Wen-mi2，JIN Cheng-yong1
（1.Hsikuangshan Twinkling Star Co.，Ltd.，Lengshuijiang 417500，China；2.Central South University，Changsha 410083，China）

When carrying out comprehensive recycling studies of arsenic-antimony residue，separating alkali from antimony is a difficult technical problem.In this study，taking advantage of arsenic acid sodium and sodium carbonate in the differences of solubility，fractional crystallization method under high temperature was introduced to achieve efficient separation of arsenic acid sodium and sodium carbonate，with sodium carbonate preferential separated.The crystalized alkali was further separated by leaching with saturated sodium carbonate.Finally the pilot plant experiments were carried out.The study found that the solubility of sodium carbonate and sodium arsenate close below 40℃，and the difference in solubility with increasing temperature was gradually increased.The optimum conditions in fractional crystallization were obtained：high temperature range of 80～90℃；fractionally crystallized three times；liquor was concentrated successively to a concentration of 1.36～1.40，1.42～1.45，1.50～1.55，then 60～80 percents of total alkali was separated.For the liquor after high-temperature fractionally crystallized，subcooling crystallization was conducted to get sodium arsenate.The optimum conditions for leaching crystalline alkali were：temperature 80℃，liquid-solid ratio 2∶1，leaching time 10 minutes，saturated sodium carbonate solution recycling three times.After leaching，arsenic in the alkali was stable less than 0.6%，and alkali was greater than 75%，achieving efficient separation of arsenic and alkali，which reduced the amount of arsenic in antimony smelting process.By using hightemperature fractional crystallization-leaching technology，efficient separation of arsenic and alkali could be achieved in commercial test，with arsenic in alkali lower 80%than existing technology，which could be returned to antimony smelting system.In addition，sodium arsenate generated by this method can be used for glass clarifying agent，which could reach the market standard.At the same time，for reason of the high temperature crystallization process，the heat energy could be made full use to reduce energy consumption.

fractional crystallization；sodium arsenate；sodium carbonate

TF114.3

A

1003-5540（2015）01-0023-06

2014-12-12

國家高技術研究發(fā)展計劃項目（2010AA065204）

李志強（1966-），男，高級工程師，主要從事銻冶煉技術管理和研發(fā)工作。