[发明专利]一种真空碳热还原三氧化二砷制备粗砷的方法

说明书

技术领域

本发明属于热还原火法冶金技术领域，特别是提供了一种真空碳热还原三氧化二砷制备粗砷的方法。

背景技术

砷是一种对人体及其他生物体有毒害作用的致癌物质，其急性中毒的致死量为0.2～0.6g。砷作为“五毒”元素(As、Hg、Cd、Pb、Cr)之一已为众所周知，砷有多种价态(-3，0，+3，+5)，在不同的氧化还原环境中常以+3价和+5价态砷存在，而不同价态的砷的毒性相差很大，其中以+3价态存在的砷化合物是剧毒物，其毒性危害最大，如“砒霜”(As₂O₃)的毒性自古以来即家喻户晓。+5价砷的毒性也很大；而单质砷不溶于水，一般无害。在工业中，砷是冶炼砷合金的原料，广泛用于军工(砷铅合金弹头)、汽车(砷铜合金)和半导体(砷化镓)及轻化工等行业；在农林牧业中是十分重要的防治病虫害的农药原料；在医药方面，砷可作为治疗牛皮癣等皮肤病、寄生虫病及风湿症、白血病等恶性疾病的医药制剂，药用雄黄、雌黄更是在中药配方中所常见。

单质砷的制取，国内外现有的技术主要有：氢还原法、碳还原法和硫砷铁矿热分解法。氢还原法是以氢为还原剂，还原三氧化二砷获得砷，此法由于使用的还原剂为氢气有爆炸的危险。美国专利US3,567,379曾提出以氨气为还原剂的还原方法，在一定温度下，氨分解出游离氢气，还原三氧化二砷得到砷，该法虽然避免了氢气爆炸的危险，但工艺过程和设备复杂，能耗大；有研究者利用含砷矿物直接分解，获得金属砷，但回收率低，且只适用于部分矿物；碳热还原法由两类方式，其一是将三氧化二砷与炭混合，在坩埚炉或电炉中加热还原，使砷气化致冷凝器中收集，此类方式原料损失大、直收率低、产品质量不稳定，环境污染大，且电炉耗电量大，投资大，成本高。另一类则是三氧化二砷不与炭混合，是使三氧化二砷通过灼热炭层的还原方式。我国水口山冶炼厂较早的采用了此种碳还原法，其采用木炭还原三氧化二砷制取砷，还原反应在一高硅耐热铸铁竖炉中进行，竖炉内部分两层，反应时炭控制750-800℃，三氧化二砷挥发通过炭层，被还原后生成砷蒸气，砷蒸气在冷凝器中凝结得到产品砷。此方法简单易行，适应性强。我国专利(ZL 89101045.9、92110735.8)在微负压条件下，将木炭置于内热电炉炉膛还原区，三氧化二砷逐渐挥发，通过灼热的炭层，还原为金属砷，而后冷凝，得到纯度为99％左右的砷。但上述两种方法都是在高温下砷对竖炉腐蚀严重，生产成本高；同时，由于其在常压或微负压下进行，砷还原气氛难以控制，还原后的砷容易再被氧化，还原率低。

本发明与上述方法相比，在10～200Pa的环境压力中，用碳层还原三氧化二砷蒸气，具有工艺流程简单、还原率高，对环境友好等特点，尚未见国内外的相关报道。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种真空碳热还原三氧化二砷制备粗砷的方法，以木炭或焦炭为还原剂，在真空环境压力中，使三氧化二砷挥发自下而上的通过热还原剂层、被还原，得到砷蒸气，砷蒸气进入冷凝器凝结为固体粗砷。其工艺流程见附图1，主要步骤如下：

(1)将木炭或焦炭放入真空炉还原剂料层，将纯度为80％以上的三氧化二砷放入还原剂料层下部的挥发坩埚中；

(2)将真空炉抽真空至10～200Pa后，以10～20℃/min的速度将碳层加热至500～700℃；

(3)再将三氧化二砷加热至300～500℃，使其挥发自下而上的通过还原剂层、被还原，保温2～6h，得到砷蒸气；

(4)砷蒸气进入冷凝器在50～200℃条件下凝结为固体粗砷，其纯度达到95％以上。

本发明的优点是工艺流程简单，便于操作，整个反应过程在真空中进行，还原率高，对环境无污染。

附图说明

图1是本发明真空碳热还原三氧化二砷制备粗砷的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1将200g木炭放入真空炉还原剂层中，将砷灰(As₂O₃＞90％)500g装入真空炉挥发坩埚，开启真空系统，当压力稳定(10～12Pa)时开始升温，以20℃/min的速度将木炭层升温至600℃，此时炉内压力达31Pa；然后将三氧化二砷加热至400℃，此时炉内压力为97Pa，保持挥发温度4h，过程中炉内压力在14～186Pa区间波动，待炉内压力稳定至14Pa左右，关闭加热系统，待自然冷却后打开真空炉，从冷凝器中取出固体粗砷，其纯度为95.3％。

实施例2将1000g焦炭放入真空炉还原剂层中，将砷灰(As₂O₃＞90％)2000g装入真空炉挥发坩埚，开启真空系统，当压力稳定(15～18Pa)时开始升温，以15℃/min的速度将木炭层升温至700℃，此时炉内压力达35Pa；然后将三氧化二砷加热至350℃，此时炉内压力为104Pa，保持挥发温度8h，过程中炉内压力在21～162Pa区间波动，待炉内压力稳定至21Pa左右，关闭加热系统，待自然冷却后打开真空炉，从冷凝器中取出固体粗砷，其纯度为96.7％。