响应面法优化碘化浸出液中碘的回收工艺

2020-05-09王会平李桂春徐德永

黑龙江科技大学学报 2020年2期

康华，王会平，李桂春，徐德永，孟齐

(黑龙江科技大学矿业工程学院，哈尔滨 150022)

碘化浸金是一种有望取代氰化法的安全环保型浸金方法，具有浸金速度快、金浸出率高、在中性条件下即可浸出等优点[1-4]。碘化浸出液的处理是碘化浸金的后续问题，其中，提高阳极碘的回收率会大大降低经济成本，将直接影响到整个工艺的工业化应用程度。目前，关于碘化浸出液中碘的回收与利用的相关研究较少，李桂春等[5-6]针对碘化浸出液进行碘的再生实验，得出电解4 h后碘沉积量只有50%左右，延长到10 h时碘沉积量仅达到70%。徐渠等[7]采用单因素实验对碘回收过程中的影响因素进行研究，得出阴极液金质量浓度高于60 mg/L时，碘的回收效果低于50%，可以看出碘化浸出液中金质量浓度对碘回收率有一定的影响。A.M.Laura等[8]采用分段法对浸出液中的碘进行回收，当重复3次实验后，碘的回收率可达75%，但存在操作工序冗杂，不易实现工业化应用。T.Kim等[9]对碘回收原理进行分析，探讨影响碘回收率的影响因素，发现沉积金时阳极液需要过量的碘化物，造成过多的I-与已沉积的碘进行逆向反应，从而降低碘的沉积效率。笔者对碘化浸出液中碘回收工艺进行研究，并采用响应面法，研究各个变量因素对实验影响的主效应关系以及各变量因素之间的交互作用，以期得出优化工艺条件。

1 单因素实验

1.1 材料与设备

试剂：碘、碘化钾均为分析纯，纯金箔(质量分数99.99%)，实验用水为去离子水。

仪器：DHG-9070A电热恒温鼓风干燥箱，FA214电子天平，RXN-305D直流稳压电源。

装置：电解槽为矩形复合材料槽(12 cm×8 cm×9 cm)，电解槽由阴离子交换膜隔开，阳极板为石墨板，阴极板为钛板。

1.2 方法

用金箔配制的溶液(50 mL)作阴极液，碘和碘化钾配制的碘液(50 mL)作阳极液，考察阴极液金质量浓度、阳极液碘质量分数、阳极液碘与碘化钾物质的量比、槽电压和电解时间对碘回收率的影响，对反应后阳极液进行过滤、冲洗，将滤纸放入干燥箱(40 ℃)干燥，最后称重，计算碘回收率。

1.3 结果

通过单因素实验发现阴极液金质量浓度为10 mg/L时，碘回收率为80.69%，当金质量浓度高于30 mg/L时，碘回收率呈急剧下降趋势，所以金质量浓度的合理范围为10～30 mg/L，文中选择阴极液金质量浓度为20 mg/L进行实验。当阳极液碘质量分数为0.7%时，碘回收率达到最大值76.33%，选择阳极液碘质量分数合理范围为0.6%～0.8%。当阳极液碘与碘化钾物质的量比1∶6时，碘回收率为74.10%，再继续增大KI的量，碘回收率有所下降。当槽电压为12 V时，碘回收率达到74.16%，继续增大槽电压，碘回收率升高趋缓，即选择槽电压最优范围为10～14 V。当电解时间为3 h时，金沉积率可达75%以上，继续增加电解时间，金沉积率上升趋势缓慢。

2 响应面法优化实验

2.1 实验设计

为了进一步分析各因素及其相互作用对碘回收率显著性的影响，提高碘回收率。在单因素实验的基础上，选择阳极液碘质量分数A、槽电压B、电解时间C作为考察变量因素，根据Box-Behnken中心组合设计原理[10]，利用Design-Expert 8.0.6软件设计了3因素3水平共17个实验点的实验方案，以碘回收率η为响应值指标，实验设计的中心点为单因素实验的最优工艺条件，即阴极液金质量浓度20 mg/L，阳极液碘质量分数0.7%，阳极液碘与碘化钾物质的量比1∶6，槽电压12 V，电解时间3 h。所选3个变量因素取值见表1,进行响应面法优化实验。

表1 响应面分析因素与水平

Table 1 Response surface analysis factors andhorizontal coding

水平因素w/%U/Vt/h-10.610200.712310.8144

2.2 实验结果与回归分析

实验方案与结果如表2所示。阳极液碘质量分数w、槽电压U、电解时间t为自变量，碘回收率η为响应值，进行响应面实验分析，回归分析结果见表3。

表2 响应面分析方案与实验结果

Table 2 Analytical project and test results of responsesurface method

序号ABCη/%10.712343.1220.612275.5230.712374.7640.612458.1050.712356.3360.814374.7070.812458.2980.614375.9890.714466.08100.810382.56110.812274.03120.712376.35130.714277.02140.710242.30150.610370.27160.712378.67170.710449.84

表3 回归分析结果

由表2中数据将碘回收率响应值与3个变量因素进行回归拟合，碘回收率的二阶回归方程为

η=75.54+2.07w+7.55U+13.80t+1.38wU-0.69wt+0.61Ut-5.06w2-4.82U2-8.90t2。

该二阶回归方程的相关性系数R2=0.991，根据R2与1的接近程度可以判断模型是否是合适可靠的，R2与1越接近，说明所选模型的预测值与实验值越接近[11]。图1为碘回收率实验值ηa和预测值ηp的对应关系图。由图1可见，实验结果的点基本上分布在预测直线的周围，实验值与预测值非常接近，表明模型与实际结果拟合较好。

图1 预测值与实际值对应关系Fig. 1 Relationship between predicted value and actual value

由表3可知，该模型F=91.89，说明该模型极显著，P值表示因子影响的显著性，只有 0.01%的机会使信噪比出现错误，实验无失拟因素存在。模型P<0.000 1，其数值越小越显著，P<0.000 1<0.05，即模型可以用于预测实际情况。其中，A、B、C、A2、B2、C2为显著影响因子，即阳极液碘质量分数、槽电压、电解时间都对碘回收率有显著影响。

从回归方程模型的方差分析可知，模型一次项A(P=0.013 2)影响显著，B(P<0.000 1)、C(P<0.000 1)影响极显著；交互项AB(P=0.164 9)影响显著，AC(P=0.465 1)和BC(P=0.513 5)影响不显著；二次项A2(P=0.000 6)、B2(P=0.000 9)、C2(P<0.000 1)影响极显著。根据一次项系数的绝对值可知，变量因素的主效应关系由大到小为电解时间、槽电压、阳极液碘质量分数。

由图2所示，通过三维曲线可以直观地评价变量因素对碘回收率的交互作用，如果响应面坡度越陡，则表明该因素对碘回收率影响越显著，反之，响应面坡度比较平缓，则表示响应值对该因素水平的改变不敏感，可以看出3个因素两两之间存在明显的交互作用[12]。3个变量因素对响应值的影响由大到小排序为：电解时间、槽电压、阳极液碘质量分数。三维响应面与抛物线图形相似，说明碘回收率的最大值出现在中间点处，从模型中可以找到最大值点。

图2 各因素交互作用对碘回收率影响的响应曲面Fig. 2 Response surface of interaction of various factors on iodine percent rate

2.3 工艺条件优化与验证实验

响应面优化后得出碘回收工艺条件为：阴极液金质量浓度20 mg/L，阳极液碘质量分数0.704%，阳极液碘与碘化钾物质的量比1∶6，槽电压13.16 V，电解时间3.52 h。在该条件下，碘回收率预测值可达82.05%。为易于操作应用，将工艺条件修正为阴极液金质量浓度20 mg/L，阳极液碘质量分数0.7%，阳极液碘与碘化钾物质的量比1∶6，槽电压13 V，电解时间3.5 h。在该条件下进行3次验证实验，碘回收率分别为81.83%、80.73%和82.45%，均值为81.67%，与预测值82.05%十分相近，证明该模型优化碘化浸出液中碘回收工艺是合理可靠的。