離子交換法除去濕法磷酸中鐵離子的研究

魏世轅 熊祥祖 王 威 張林鋒 李志保 李文歆

（武漢工程大學(xué)磷化工工程中心，湖北 武漢 430073）

0 引言

磷酸的生產(chǎn)主要分為熱法磷酸和濕法磷酸二種，另外還有窯法磷酸［1］。窯法磷酸因工藝不成熟，技術(shù)難度大等原因，尚未有工業(yè)化報(bào)道。熱法工藝能夠制取較高純度的磷酸，但其工藝電耗大、成本高、并產(chǎn)生大量粉塵和有毒氣體。近年來(lái)，一些發(fā)展中國(guó)家的經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展，對(duì)能源的需求增長(zhǎng)迅速，但國(guó)際能源供應(yīng)不足，導(dǎo)致熱法磷酸的價(jià)格一路走高，使其繼續(xù)發(fā)展受到了制約。因此，低能耗低成本的濕法磷酸凈化技術(shù)又被重新看好。濕法磷酸原料和工藝特點(diǎn)致使其成品中成分復(fù)雜、雜質(zhì)含量相對(duì)較高，主要含鈣、鋁、鎂、鐵等［2］。為獲得用于制取精細(xì)磷酸鹽的濕法磷酸，必須進(jìn)行凈化和濃縮。濕法磷酸凈化幾十年來(lái)人們展開了大量的研究，出現(xiàn)了很多方法，主要有化學(xué)沉淀法、重結(jié)晶法、電滲析、離子交換法、溶劑萃取法、乳化液膜法［3，4］等。

鐵離子是濕法磷酸中的雜質(zhì)之一。濕法磷酸中所含的鐵，會(huì)增大磷酸溶液的粘度、降低酸的質(zhì)量；在其濃縮時(shí)，會(huì)生成不溶性淤渣，部分沉積在設(shè)備壁上形成結(jié)垢，部分懸浮在酸中，會(huì)沉積在后續(xù)加工的儲(chǔ)存設(shè)備甚至管道中，影響生產(chǎn)的正常運(yùn)行，還造成五氧化二磷的損失［5］。因此去除鐵離子是其生產(chǎn)過(guò)程中的一個(gè)重要研究?jī)?nèi)容，上述方法在去除鐵離子方面，雖然有各自的特點(diǎn)，但由于經(jīng)濟(jì)或技術(shù)方面的原因都沒有實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。

本文采用離子交換法凈化濕法磷酸中的鐵離子，考查了樹脂用量、溫度、時(shí)間等因素對(duì)鐵凈化率的影響。通過(guò)試驗(yàn)得出：在攪拌速度為300r/min，溫度為30℃，樹脂和濕法磷酸的質(zhì)量比為1：1.5，時(shí)間為5min的條件下，效果較好。其中鐵的去除率達(dá)到72.25％。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

濕法磷酸由某化工集團(tuán)有限公司提供，系二水法濕法磷酸，鐵的含量為0.1344％。

1.2 實(shí)驗(yàn)主要原料及儀器

JK008均孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂 安徽皖東化工有限公司；

電子天平 型號(hào)EL204梅特勒-拖利多儀器（上海）有限公司；

電子恒速攪拌器 型號(hào)GS12-B上海安亭電子儀器廠；

電子恒溫不銹鋼水浴鍋 型號(hào)HHS-4S余姚市上通溫控儀表廠；

電子恒溫不銹鋼水浴鍋 型號(hào)HHS-4S余姚市上通溫控儀表廠。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 樹脂的處理

樹脂成品中，一般都夾雜著一些無(wú)機(jī)雜質(zhì)、未發(fā)生反應(yīng)的單體、樹脂結(jié)構(gòu)中的低分子聚合物、樹脂的分解產(chǎn)物等。這些物質(zhì)在使用時(shí)會(huì)逐漸溶解于溶液中。因此，在使用前需要對(duì)樹脂進(jìn)行處理。首先用40℃左右的溫水沖洗，直至洗液無(wú)黃色呈透明狀，且pH值為中性。然后用4％NaOH浸泡8h，之后排去堿液，用溫蒸餾水沖洗至排出液接近中性，再用10％HCl浸泡24h，排出酸液，用蒸餾水沖洗至排出液接近中性為止［6］。最后將樹脂用抽濾機(jī)過(guò)濾，并用干的濾紙吸干樹脂表面的水分。

1.3.2 實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)過(guò)程中每次均將150g待凈化的濕法磷酸加入500mL帶有攪拌裝置的錐形瓶中，然后加入上述已去除表面水分的樹脂，進(jìn)行離子交換；不斷變換反應(yīng)條件，待反應(yīng)交換過(guò)程結(jié)束后，用真空泵抽慮，樹脂回收，所得濾液即為凈化后酸。再對(duì)其離子含量進(jìn)行檢測(cè)分析。鐵含量的測(cè)定按GB/T1871.2-1995進(jìn)行。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 樹脂用量對(duì)鐵去除率的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)改變樹脂用量以考察其對(duì)鐵去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：攪拌速度250r/min、溫度25℃、時(shí)間10min。圖1即為不同樹脂用量時(shí)鐵去除率。

由圖1可知，樹脂用量對(duì)鐵凈化率影響較大，且隨樹脂用量的增加，鐵凈化率呈上升趨勢(shì)。樹脂用量的增加雖然有利于提高鐵金屬離子凈化率，但也增加了后續(xù)樹脂回收工藝操作成本。因此，考慮到凈化效果、經(jīng)濟(jì)成本等多方面因素，對(duì)于150g原料磷酸來(lái)說(shuō)，樹脂用量確定為100～110g為宜。

2.2 操作溫度對(duì)鐵去除率的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)改變溫度來(lái)考察其對(duì)鐵去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：攪拌速度250r/min、時(shí)間15min。圖2即為不同反應(yīng)溫度下鐵的去除率。

由圖2可知，總的趨勢(shì)是鐵凈化率隨著溫度的升高而增大。當(dāng)溫度低于30℃時(shí)，鐵凈化率隨溫度的升高有明顯地提高，這是因?yàn)闇囟壬呒涌祀x子在樹脂內(nèi)擴(kuò)散和膜擴(kuò)散，且使溶液的黏度降低，促進(jìn)離子交換的進(jìn)行，因此鐵去除率明顯的增加；而當(dāng)溫度高于30℃時(shí)，鐵凈化率隨溫度升高而提高的幅度不大。。但溫度過(guò)高時(shí)，使樹脂在中強(qiáng)酸的作用下熱分解加重，降低樹脂中活性基團(tuán)的活性，不利于離子交換的進(jìn)行。因此，溫度控制在25～30℃較佳，考慮到加熱成本因素，選擇30℃為宜。

2.3 攪拌速率對(duì)鐵去除率的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)改變攪拌速度來(lái)考察其對(duì)鐵去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：溫度25℃、時(shí)間5min。圖4即為不同攪拌速度時(shí)鐵去除率。

由圖4可知，該樹脂在脫除該磷酸所含鐵金屬離子的過(guò)程中。不改變其他條件時(shí)，攪拌速度對(duì)鐵脫除效率影響較大且成正比關(guān)系。說(shuō)明鐵脫除效率對(duì)攪拌速度比較敏感，表明受外擴(kuò)散的影響較大。為了提高鐵的脫除效率而增大攪拌速度。可減小樹脂邊界液膜的厚度，有利于傳質(zhì)過(guò)程。但當(dāng)攪拌速度繼續(xù)增大到一定程度，液流的阻力增加，不利于傳質(zhì)。而且樹脂的互相磨擦，碰撞會(huì)加劇，并導(dǎo)致樹脂的破裂，造成樹脂的損失增大使成本上升。因此，綜合考慮攪拌速度取300r/min為宜。

2.4 交換時(shí)間對(duì)鐵去除率的影響

在其他實(shí)驗(yàn)條件不變時(shí)改變反應(yīng)時(shí)間來(lái)考察其對(duì)鐵去除率的影響。實(shí)驗(yàn)條件為：攪拌速度300r/min、溫度30℃。圖3即為不同反應(yīng)時(shí)間下鐵的去除率：

由圖3可知，隨著反吸附時(shí)間的延長(zhǎng)鐵凈化率也隨之提高。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間由0min增加到5min，鐵凈化率增加明顯，迅速增大到72.25％；繼續(xù)攪拌，鐵凈化率增長(zhǎng)非常緩慢，甚至還有下降的趨勢(shì)。分析原因，這是由于樹脂對(duì)鐵離子的吸附已經(jīng)達(dá)到了飽和，繼續(xù)反應(yīng)還可能使鐵離子重新回到磷酸中。因此考慮到反應(yīng)時(shí)間和成本的因素。選取反應(yīng)時(shí)間為5min適宜。

3 結(jié)語(yǔ)

本研究采用JK008均孔強(qiáng)酸性陽(yáng)離子交換樹脂處理濕法磷酸中的鐵離子。在攪拌速度為300r/min，溫度為25℃，樹脂與濕法磷酸的質(zhì)量比約為1：1.5，反應(yīng)時(shí)間為5min時(shí)，除去濕法磷酸中的鐵離子能力達(dá)到了72.25％，且操作簡(jiǎn)單、成本低、污染小，有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。

［1］朱玉平.窯法磷酸工藝的工業(yè)化前景［J］.磷肥與復(fù)肥，2008，23（5）：25-28.

［2］鄢笑非，周紅，潘志權(quán)，等.鹽酸濕法磷酸生產(chǎn)工藝優(yōu)化［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，30（3）：11-13.

［3］楊 帆，胡方峰，陳金芳.十二烷基苯磺酸乳化液膜法凈化濕法磷酸除鎂［J］.云南化工，2008，35（1）：24-29.

［4］高 楓，郭瓦力，王祝敏，等.乳狀液膜法去除濕法磷酸中Mg（Ⅱ）的研究［J］.當(dāng)代化工，2005，34（2）：121-123.

［5］湯德元，胡 健，胡 宏.濕法磷酸中鐵的泡沫浮選凈化研究［J］.貴州工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）2004，33：63-66

［6］丁桓如，吳春華，龔云峰，等.工業(yè)用水處理工程［M］.北京：清華大學(xué)出版社，2005：229-230.