全 文 ：2013年第 33卷第 1期
化 工 环 保
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY ·63·
蜈蚣草是砷污染土壤的典型生态修复植物，相
关植物修复技术已成功应用于土壤中砷的去除［1-3］。
蜈蚣草修复污染的土壤后，体内砷含量最高可达到
植物体干重的2.34%［4］。随着蜈蚣草修复土壤研究
的不断深入，含砷蜈蚣草产量逐年加大，如何安全
处置这些废物，成为近年的研究热点［5-8］。砷酸铜
作为制备木材防腐剂的重要原料，在国外得到广泛
应用［9-10］。随着我国木材防腐剂的开发，砷酸铜也
将具有良好的应用前景。因此，利用含砷蜈蚣草制
备砷酸铜回收砷，不仅可以有效处理大量的含砷蜈
蚣草，同时可制备具有市场价值的砷酸铜，以期
实现砷的生态修复植物收获物的安全处置和资源
化利用。
本工作采用管式炉对含砷蜈蚣草进行高温热
解，并加入CaO固化砷；热解后的蜈蚣草底灰采用
碱浸法进行浸提；浸提液以CuSO4·5H2O做沉淀剂
制备砷酸铜。该工艺过程简单且易操作，砷回收率
高，制备的砷酸铜可作为化工产品应用于木材防腐
等领域。
1 实验部分
1.1 试剂、材料和仪器
实验用试剂均为分析纯。
蜈蚣草：取自四川省绵阳市，主要化学成
分见表1。由表1可见，干蜈蚣草的砷质量分数为
生态修复植物蜈蚣草中砷的回收
潘雅妹，廖辉伟，周 远，雷会利，黄晋芳
（西南科技大学 材料科学与工程学院，四川 绵阳 621010）
［摘要］ 采用管式炉高温热解—NaOH-Na2CO3混合液碱浸—CuSO4·5H2O沉淀的方法回收生态修复植物蜈蚣草中
的砷，最终得到产品砷酸铜。该方法的最佳工艺条件为：热解温度600 ℃，热解时间30 min，CaO加入量（CaO与蜈
蚣草的质量比）8%； m（NaOH）∶m（Na2CO3）=1∶3， 碱浸温度70 ℃， 碱浸时间2 h， 固液比1∶10； 沉淀反应pH
5， 沉淀反应温度70 ℃。采用该方法处理生态修复植物蜈蚣草，得到产品砷酸铜的纯度为93%，砷回收率达88%。
［关键词］ 蜈蚣草；生态修复；热解；碱浸法；砷酸铜；综合利用
［中图分类号］ X 705 ［文献标志码］ A ［文章编号］ 1006 - 1878（2013）01 - 0063 - 04
［收稿日期］ 2012 - 07 - 16；［修订日期］2012 - 10 - 26。
［作者简介］ 潘雅妹（1987—），女，河北省河间市人，
硕士生，主要研究方向为环境废物资源化回收利用。电话
13778162876，电邮 panyamei@yahoo.com.cn。联系人：廖
辉伟，电话 13547133951，电邮 liaohw6709@163.com。
Recovery of Arsenic From Hyperaccumulator Pteris Vittata L.
Pan Yamei，Liao Huiwei，Zhou Yuan，Lei Huili，Huang Jinfang
（College of Material Science and Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan 621010，China）
Abstract: Arsenic was recovered from hyperaccumulator pteris vittata L.by the process of high temperature
pyrolysis in tubular furnace-alkali leaching with NaOH-Na2CO3 solution- precipitation with CuSO4·
5H2O. The final product is copper arsenate. The optimum process conditions are as follows：pyrolysis
temperature 600 ℃，pyrolysis time 30 min，CaO dosage 8%，m(NaOH)∶m(Na2CO3)=1∶3，alkali
leaching temperature 70 ℃，alkali leaching time 2 h，ratio of solid to liquid 1∶10；precipitation reaction
pH 5，precipitation reaction temperature 70℃. The purity of the product copper arsenate is 93% and the total
recovery rate of arsenic is 88%.
Key words: pteris vittata L.；ecological remediation；pyrolysis；alkali leaching；copper arsenate；
comprehensive utilization
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化 工 环 保
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY
ZM-0.4L型变频行星式球磨机：南京大学仪
器厂；实验室双螺杆造粒机：佛山市海瑞嘉精密挤
出机械有限公司；ICAP6500型电感耦合等离子体
发射光谱（ICP）仪：美国ThermoFisher公司；SDT
Q600型同步热分析仪：美国TA仪器公司；Axios型
波长色散型X射线荧光光谱（XRF）仪：荷兰帕纳科
公司。
1.2 实验方法
将成熟期蜈蚣草洗净，于70 ℃烘干，放入球
磨机破碎，得到蜈蚣草粉末。
称取100 g蜈蚣草粉末与一定量CaO混合均
匀，加入少量聚乙烯醇水溶液造粒，将其放入管式
炉中，控制空气流量为0.12 L/min，管式炉通过程
序升温，热解一定时间，冷却后得蜈蚣草底灰。
称取10 g蜈蚣草底灰，加入一定量NaOH质量
浓度为10 g/L、Na2CO3质量浓度为30 g/L的混合溶
液浸取，在恒温下搅拌一定时间，过滤。
将滤液蒸发浓缩至原体积的一半，用稀硫酸
酸化至pH为1，加入CuSO4·5H2O 1 g，保持温度
在70 ℃，逐滴加入氨水至产生绿色沉淀，然后过
滤、洗涤、干燥得沉淀，即为砷酸铜。
1.3 分析方法
采用ICP仪测定蜈蚣草粉末、蜈蚣草底灰以及
浸提液中的砷含量，分别计算底灰砷损失率、砷浸
提率。采用XRF仪测定砷酸铜中砷含量，计算砷沉
淀率。
2 结果与讨论
2.1 高温热解蜈蚣草
砷在高温下易转化为气态砷化物而挥发，而
CaO对砷有很好的固化作用，气态的砷化物极易与
CaO反应生成不挥发的结晶态砷酸钙，当环境温
度低于1 000 ℃时，砷酸钙是砷化物最稳定的形
态［11-14］。蜈蚣草和CaO共存时的热解特征曲线见图
1。由图1可见：蜈蚣草和CaO共存时的失重速率较
蜈蚣草单独热解时的失重速率慢，这可能是因为蜈
蚣草热解过程中挥发的气态砷化物与CaO在400 ℃
开始发生反应；蜈蚣草在温度升至500 ℃之后失重
基本停止，而蜈蚣草和CaO共存体系在500~650 ℃
仍缓慢失重，直至650 ℃才恒重［15］。因此，CaO固
砷作用主要发生在400~650 ℃。
表1 蜈蚣草的主要化学成分 质量分数/%
As K Si Ca Cl P S Mg Fe 其他
1.35 15.52 3.65 3.53 2.87 2.73 2.41 1.26 1.21 65.47
1.35%，大于镁质量分数和铁质量分数。
图2 CaO加入量对底灰砷损失率的影响
CaO加入量/%：● 0；■ 2；▲ 4；◆ 6；○ 8；□ 10
300 400 500 600 700 800 900
0
5
10
15
20
25
30
35
40
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图1 蜈蚣草和CaO共存时的热解特征曲线
a 蜈蚣草和CaO；b 蜈蚣草
100 200 300 400 500 600 700 800 9000
20
40
60
80
100
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a
b
在热解时间为30 min的条件下，CaO加入量
（CaO与蜈蚣草的质量比，下同）对底灰砷损失率
的影响见图2。由图2可见：在同一热解温度下，
随CaO加入量的增加，底灰砷损失率逐渐减小；当
CaO加入量大于8%时，继续增加CaO加入量，底灰
砷损失率基本不再变化；未加CaO时随热解温度
的升高，砷损失率逐渐增大；而在CaO存在的情
况下，热解温度为300~600 ℃时，底灰砷损失率较
低，且基本保持不变。因此，实验选择热解温度
为600 ℃。
在CaO加入量为8%的条件下，热解时间对底
灰砷损失率的影响见图3。由图3可见：延长热解时
间，砷损失率增大；热解时间为15 min时，砷损失
率最小。但时间过短，部分蜈蚣草并未完全热解，
因此热解时间选为30 min较理想。
当热解温度为600 ℃、热解时间为30 min、
·65·第 1 期
CaO加入量为8%时，底灰砷损失率为5.6%，底灰
砷含量约为71 mg/g。
图3 热解时间对底灰砷损失率的影响
热解时间/min：● 15；■ 30；▲ 45
300 400 500 600 700 800 900
0
5
10
15
20
25
ऄ༥
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2.2 碱浸蜈蚣草底灰
蜈蚣草在CaO存在条件下高温热解，其中大部
分砷被固化生成砷酸钙，另有部分以As2O5形式存
在，还有极少部分的砷与蜈蚣草中的铁反应生成砷
酸铁［16］。砷酸钙、砷酸铁为难溶于水的砷化物，但
在碱性溶液中易转化为钠盐而溶于热水中，因此本
实验采用NaOH与Na2CO3混合溶液提取蜈蚣草底灰
中的砷。碱浸蜈蚣草底灰过程的主要化学反应见式
（1）~式（3）。
Ca3(AsO4)2+3Na2CO3=2Na3AsO4+3CaCO3↓ （1）
As2O5+6NaOH=2Na3AsO4+3H2O （2）
FeAsO4+3NaOH=Na3AsO4+Fe(OH)3↓ （3）
碱浸蜈蚣草底灰工艺条件研究采用L93
4正交实
验进行，正交实验因素水平见表2，正交实验结果
见表3。由表3可见：NaOH-Na2CO3体系可有效分
离蜈蚣草底灰中的砷；各工艺条件对砷浸出率的影
响大小顺序为m（NaOH）∶m（Na2CO3）＞碱浸温度
＞碱浸时间＞固液比（蜈蚣草底灰质量（以g计）与
混合溶液体积（以mL计）的比）；最佳工艺条件为
A2B2C2D3，即m（NaOH）∶m（Na2CO3）为1∶3、碱
浸温度为70 ℃、碱浸时间为2 h、固液比为1∶15。
综合考虑实际情况，为了减少溶液体积，本实验选
择固液比为1∶10。在m（NaOH）∶m（Na2CO3）为
1∶3、碱浸温度为70 ℃、碱浸时间为2 h、固液比
为1∶10的条件下，砷浸提率可达95.83%。
2.3 沉淀砷酸铜
AsO4
3-与Cu2+结合生成砷酸铜沉淀， AsO4
3-的活
度受pH和温度的影响极大，因此pH和温度是控制
砷沉淀率的重要因素。沉淀反应pH和沉淀反应温
度对砷沉淀率的影响见图4。
表3 正交实验结果
实验号
因素水平
砷浸提率/%
A B C D
1 1 1 1 1 85.22
2 1 2 2 2 90.31
3 1 3 3 3 86.26
4 2 1 2 3 92.45
5 2 2 3 1 95.28
6 2 3 1 2 90.72
7 3 1 3 2 91.22
8 3 2 1 3 94.10
9 3 3 2 1 90.75
k1 87.26 89.63 90.01 90.42
k2 92.82 93.23 91.17 90.75
k3 92.02 89.24 90.92 90.94
R 5.55 3.99 1.16 0.52
图4 沉淀反应pH和沉淀反应温度对砷沉淀率的影响
沉淀反应温度/℃：● 50；■ 60；▲ 70；◆ 80
     






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由图4可见：随沉淀反应pH的升高，砷沉淀
率先增大后减小，在沉淀反应pH为5时砷沉淀率最
大，这是因为氨水加入量过大时，部分Cu2+生成铜
氨络合物，游离Cu2+浓度随之减少，从而导致砷沉
淀率下降；随沉淀反应温度的升高，砷沉淀率先增
大后减小，当沉淀反应温度为70 ℃时砷沉淀率达
最大值，这是由沉淀反应热效应及砷酸铜的溶解
度与温度的依赖关系决定的。在沉淀反应pH为5、
沉淀反应温度为70 ℃时，砷沉淀率高达95.9%。产
品砷酸铜经XRF仪分析，含铜（质量分数，下同）
35%、砷32%，纯度为93%，符合木材防腐剂原料
的使用标准。
潘雅妹等. 生态修复植物蜈蚣草中砷的回收
表2 正交实验因素水平
水
平
因素A 因素B 因素C 因素D
m(NaOH)∶m(Na2CO3) 碱浸温度/℃ 碱浸时间/h 固液比
1 1∶2 60 1 1∶5
2 1∶3 70 2 1∶10
3 1∶4 80 3 1∶15
·66· 2013年第 33卷
化 工 环 保
ENVIRONMENTAL PROTECTION OF CHEMICAL INDUSTRY
2.4 小节
在最佳实验条件下，采用管式炉高温热解—
NaOH-Na2CO3混合液碱浸—CuSO4·5H2O沉淀的
方法处理1 kg干蜈蚣草可回收砷12 g左右，砷回收
率为88%。
3 结论
a）以 生 态 修 复 植 物 蜈 蚣 草 为 砷 源，采 用
管式炉高温热解、NaOH-Na 2CO 3混合液碱浸、
CuSO4·5H2O沉淀等步骤回收蜈蚣草中的砷，最终
得到产品砷酸铜。
b）当热解温度为600 ℃、热解时间为30 min、
CaO加入量为8%时，底灰砷损失率为5.6%，蜈蚣
草底灰砷含量约为71 mg/g。
c）在m（NaOH）∶m（Na2CO3）为1∶3、碱浸温
度为70 ℃、碱浸时间为2 h、固液比为1∶10的条件
下，砷浸提率可达95.83%。
d）在沉淀反应pH为5、沉淀反应温度为70 ℃
时，砷沉淀率高达95.9%。产品砷酸铜含铜35%、
砷32%，纯度为93%。
e）采用该方法处理1 kg干蜈蚣草可回收砷12 g
左右，砷回收率为88%。该方法从根本上解决了蜈
蚣草收获物安全处置的问题，制备的砷酸铜可作为
化工原料使用，成功实现了蜈蚣草收获物的资源化
回收利用。
参 考 文 献
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（编辑  王  馨）
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