ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ МЫШЬЯКА ИЗ МЕДНОГО ЭЛЕКТРОЛИТА

Омаров Х. Б., Сагиндыкова З. Б., Абсат З. Б., Алдабергенова С. К., Байкенов М. И.,
Карагандинский государственный университет имени Е. А. Букетова, Караганда, Казахстан

Технология получения товарной меди предусматривает обязательное использование следующих металлургических процессов: плавку на штейн, конвертирование медного штейна, огневое и электролитическое рафинирование меди. В процессе электролиза меди наиболее вредная примесь — мышьяк, который при высокой концентрации может осаждаться вместе с медью на катоде, снижая его качество. В связи с этим необходимо поддерживать определенное содержание мышьяка в электролите, для чего часть электролита выводят на купоросный передел и подвергают глубокому электролитическому обезмеживанию, при котором мышьяк попадает в атмосферу в виде опасного соединения арсина.

Известен способ очистки сбросных растворов от мышьяка, основанный на соосаждении мышьяка с карбонатом кальция в момент образования последнего. Очистку рекомендуют проводить в две стадии: сбросные воды вначале обрабатывают 5–10%-ным известковым молоком и осветляют отстаиванием, затем в осветленный раствор при интенсивном перемешивании в зависимости от содержания ионов кальция вводят или раствор кальцинированной соды, или последовательно растворы хлористого кальция и соды. Образующийся при этом осадок отделяют отстаиванием. Недостатки способа — значительная продолжительность процесса, вследствие проведения его в две стадии, и образование труднофильтруемого осадка.

В настоящей работе предложен метод очистки медного электролита от мышьяка с использованием углекислого бария в качестве осадителя. Малорастворимые карбонаты щелочноземельных металлов обладают хемосорбционной активностью по отношению к ионам тяжелых металлов. Данная способность обусловлена возможностью образования новых химических соединений с меньшим, чем у исходных, запасом энергии Гиббса. При этом образуются соединения менее растворимые, чем исходные. Метод выделения мышьяка из медного электролита основан на образовании двойного слоя на поверхности носителя, состоящего из катионов Ва²⁺, с последующим образованием Ва₃(AsО₄)₂ и на принципе сорбции мышьяка образующимся сульфатом бария.

Для исследования осаждения мышьяка из медного электролита был использован технологический раствор АО «Казахмыс» (г. Балхаш) следующего состава, г/л: 36,87 Cu; 7,75 Ni; 100 H₂SO₄; 0,099 Cl; 8,45 As; 2,33 Na; 0,262 K; 0,64 Sb; 0,40 Fe; 0,18 Mg; 0,51 Al; 0,05 Pb; 0,35 Ca; 0,032 Zn.

Исследование процесса осаждения мышьяка углекислым барием проводили по методике вероятностно-детерминированного планирования эксперимента с использованием пятифакторной матрицы на пяти уровнях. В качестве факторов приняты: отношение Ba : As (1,45 : 1; 2,9 : 1; 4,35 : 1; 5,8 : 1; 7,25 : 1); температура, °С (25; 40; 55; 70; 85); концентрация серной кислоты, г/л (60; 80; 100; 120; 140); продолжительность процесса, ч (1; 2; 3; 4; 5) и кратность дозировки осадителя (1; 2; 3; 4; 5). Условия 25 опытов и полученные результаты пятифакторного эксперимента на пяти уровнях приведены в таблице 1.

План-матрица и результаты пятифакторного эксперимента на пяти уровнях

№ опыта	Отношение Ba : As	Темпера-тура, ^оС	Концентрация серной кислоты, г/л	Продолжи-тельность процесса, ч	Кратность подачи осадителя	Степень осаждения, %
№ опыта	Отношение Ba : As	Темпера-тура, ^оС	Концентрация серной кислоты, г/л	Продолжи-тельность процесса, ч	Кратность подачи осадителя	экспери-ментальная	теорети-ческая
1	1,45 : 1	25	60	1	1	77,76	85,45
2	1,45 : 1	55	100	3	3	85,18	85,59
3	1,45 : 1	40	80	2	2	90,85	85,32
4	1,45 : 1	85	140	5	5	93,69	87,81
5	1,45 : 1	70	120	4	4	80,36	86,38
6	4,35 : 1	25	60	2	5	86,47	89,21
7	4,35 : 1	55	100	5	4	89,39	90,24
8	4,35 : 1	40	80	4	1	87,73	90,06
9	4,35 : 1	85	140	1	3	94,81	90,48
10	4,35 : 1	70	120	3	2	81,23	87,72
11	2,9 : 1	25	60	4	3	88,68	87,31
12	2,9 : 1	55	100	1	2	94,08	88,98
13	2,9 : 1	40	80	3	5	95,27	87,62
14	2,9 : 1	85	140	2	4	89,28	86,24
15	2,9 : 1	70	120	5	1	79,36	89,01
16	7,25 : 1	25	60	3	4	87,94	92,99
17	7,25 : 1	55	100	2	1	92,43	92,97
18	7,25 : 1	40	80	5	3	97,14	92,86
19	7,25 : 1	85	140	4	2	98,88	92,93
20	7,25 : 1	70	120	1	5	86,13	93,10
21	5,8 : 1	25	60	5	2	92,53	92,82
22	5,8 : 1	55	100	4	5	93,42	89,91
23	5,8 : 1	40	80	1	4	98,02	91,88
24	5,8 : 1	85	140	3	1	93,89	90,21
25	5,8 : 1	70	120	2	3	85,38	91,48

По результатам выполненных экспериментов проведена выборка полученных данных, описаны и построены частные зависимости степени осаждения мышьяка карбонатом бария от исследуемых факторов (рисунок, таблица 2).

Частные зависимости степени осаждения мышьяка из медного электролита карбонатом бария от исследуемых факторов:

Частные зависимости степени осаждения мышьяка углекислым барием от исследуемых факторов

Фактор	Степень осаждения мышьяка, %
	Уровни факторов					Среднее значение
	1	2	3	4	5	Среднее значение
Отношение Ba : As	85,56*	89,33	87,92	92,64	92,50	89,59
Отношение Ba : As	86,15**	87,87	89,58	91,30	93,02
Температура,^оС	86,67	93,80	90,90	82,49	94,11
Температура,^оС	89,36	88,98	89,08	89,69	90,78
Концентрация серной кислоты, г/л	87,76	89,78	89,58	91,08	89,76
Концентрация серной кислоты, г/л	88,44	89,24	89,73	90,06	90,29
Продолжительность процесса, ч	90,16	88,88	88,70	89,81	90,42
Продолжительность процесса, ч	90,02	89,08	88,87	89,37	90,61
Кратность подачи осадителя	86,23	91,51	90,23	88,99	90,99
Кратность подачи осадителя	87,26	89,35	90,52	90,75	90,06

* Верхние строки — экспериментальные значения.
** Нижние строки — теоретические значения.

Согласно найденному значению критерия Кохрена G = 0,8332, неравенство 0,8332 < 0,8412 удовлетворяется, следовательно, эксперимент воспроизводим. Рассчитаны дисперсия воспроизводимости (23,98·10^-5), ошибка эксперимента (±0,0154), доверительный интервал ( ±0,0177), ширина доверительного интервала ( 0,0356) для осаждения мышьяка.

Полученные результаты показывают, что высокую степень извлечения мышьяка из медного электролита с переводом его в труднорастворимую, экологически безопасную форму можно достичь при следующих условиях: Ba : As = 1,45 : 1; температура 40 °С; концентрация серной кислоты 100–120 г/л; продолжительность процесса 1 ч; трехкратная подача осадителя.

Omarov H. B., Sagindikova Z. B., Absat Z. B., Aldabergenova S. K., Baikenov M. I.,
E. A. Buketov Karaganda State University, Karaganda, Kazakhstan

The paper describes the results of the study into the process of arsenic removal from the electrolyte solution used for copper refining, based on the use of barium carbonate as sedimentation agent. The optimal conditions of arsenic sedimentation have been defined, including the Ba/As ratio; process temperature; amount of sulfuric acid in copper electrolyte; duration of process and rate of sedimentation agent invasion.

Омаров Хылыш Бейсенович, канд. хим. наук, доц., кафедра химической технологии и экологии, Карагандинский государственный университет имени Е. А. Букетова, ул. Университетская, 28, корп. 6, Караганда, 100028, Казахстан. Тел.: (7212) 77-04-25, 77-01-36. E-mail
Сагиндыкова Зоя Байтурсиновна, канд. хим. наук, доц., кафедра химической технологии и экологии,
Карагандинский государственный университет имени Е. А. Букетова, ул. Университетская, 28, корп. 6,
Караганда, 100028, Казахстан. Тел. (7212) 73-29-09
Абсат Зауре Бакиевна, канд. хим. наук, доц., кафедра химической технологии и экологии, Караган-
динский государственный университет имени Е. А. Букетова, ул. Университетская, 28, корп. 6, Караганда,
100028, Казахстан. Тел.: (7212) 77-03-74, 77-04-15
Алдабергенова Сауле Кидирбаевна, аспирант, кафедра химической технологии и экологии, Караган-
динский государственный университет имени Е. А. Букетова, ул. Университетская, 28, корп. 6, Караганда,
100028, Казахстан. Тел. (7212) 31-69-14
Байкенов Мурзабек Исполович, проф., кафедра химической технологии и экологии, Карагандинский
государственный университет имени Е. А. Букетова, ул. Университетская, 28, корп. 6, Караганда, 100028,
Казахстан. Тел. (7212) 77-03-74