冶金废水在超声波作用下氢氧化钠浸出过程的动力学研究

史博川，刘总兵

（东北大学设计研究院（有限公司），辽宁 沈阳 110000）

与火法冶金相比，湿法冶金过程中的温度较低，化学反应速度及扩散速度相对较慢，因此很难达到平衡状态，而目前在超声波下对氢氧化钠处理含砷的铝工业废水的浸出动力学研究未见报道，本文通过测定不同反应温度下，溶液中砷浓度随时间的变化情况，确定相关的动力学参数，对阐明反应机理、明确反应速率的限制环节，具有较大的实际意义。

超声波在传播过程中与介质相互作用，振幅和相位发生改变，使物质的一些化学、物理和生物状态或特性发生改变，或是加速这种改变的进程，因而发生一系列效应，如化学、热学、力学和生物效应等。超声波是一种能量形式，它能够引发新的反应通道或加快化学反应。

本论文以酸性含砷冶金废液为研究对象，应用超声波场的作用，选择氢氧化钠浸出砷，进而研究浸出过程中超声波、反应温度对浸出过程的动力学影响。

1 实验原理

式中k为反应速率常数，T为热力学温度，R为气体常数，Ea为反应的活化能，A为指前因子。

本实验分别测定不同温度下，反应体系中砷浓度随反应时间的变化，得出初始反应速率随时间的变化关系，根据所得结果，采用线性回归的方法，确定反应级数，并计算得出相应的反应速率常数k。依公式（1），绘制的关系图，可求得直线的斜率。再由直线的斜率和截距分别计算出反应的表观活化能Ea和指前因子A，进而得到选择性沉淀反应的动力学方程。

2 实验步骤

根据前述实验所得工艺条件，控制pH值13.5，搅拌强度600rpm，分别选取313.15K、323.15K、333.15K、343.15K、354.15K五个温度，分别在有超声波场作用和单独机械搅拌作用下，将实验所需药品迅速均匀混合、调节pH并开始计时。取样方法如下：取样时间间隔为：2min、2min、5min、5min、10min、15min、15min、20min、20min、30min，一定时间用5ml移液管进行固液混合物的移取操作，快速用离心机进行固液分离。测定所得液体中砷的浓度，将所得结果进行处理，即得到反应体系中砷浓度随时间变化的关系曲线。

3 结果与讨论

不同温度下反应体系中砷浓度随时间的变化关系如图1所示。由图1可知，在反应初始阶段，砷浓度与反应时间基本呈直线关系，当反应进行到20min～25min时，溶液中的砷浓度基本不再变化，可以认为反应基本达到平衡。

图1 反应时间与溶液中砷浓度关系

在313K、323K、333K、343K、353K五个温度下，0～600s的时间范围内，砷浓度与反应时间的关系作图得到图2。

图2 溶液中砷浓度与反应时间的关系

图2可知，砷浓度与时间基本呈直线关系，可以将该沉淀反应看作是零反应，对于零级反应。

由式（2）计算得，温度在313K、323K、333K、343K、353K五个温度下，反应的k值分别为2.734×10-5、2.755×10-5、3.035×10-5、3.190×10-5、3.294×10-5，lnk 分别为-10.51、-10.49、-10.40、-10.35、-10.32。

图3 lnk ～ 1/T×103关系图

由直线斜率即得到反应速率常数k。采用线性回归的方法得出图2中不同温度所对应的直线斜率，各条直线斜率即为对应温度下反应的速率常数k。

相关系数由式（3）得ln A=-8.6849

(E/R)=0.5748×103

r=-0.98089

进而计算得到该反应的表观活化能和指前因子分别为：

Ea=4.778k J/mol

A=1.6912×104

单独机械搅拌作用下反应活化能为Ea=14.08k J/mol，而在超声波作用下反应的活化能为Ea=4.778kJ/mol，与不加超声波外场作用相比，超声波作用降低了反应活化能，加速化学反应。

4 结论

本文研究了超声波作用下氢氧化钠选择性沉淀砷反应动力学规律，得到如下结论。

（1）氢氧化钠选择性沉砷反应符合零级反应规律，反应的表观活化能为：Ea=4.778kJ/mol

指前因子为：A=1.6912×104

（2）氢氧化钠选择性沉砷反应的动力学方程为：

仅机械搅拌作用下反应活化能为Ea=14.08 k J/mol，而在超声波作用下反应的活化能为Ea=4.778 k J/mol，与不加超声波外场作用相比，超声波作用降低了反应活化能，加速化学反应。