利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸

李凌成

摘 要： 目的研究利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸，系統(tǒng)的研究硫酸的用量、反應(yīng)時(shí)間和攪拌時(shí)間對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)影響，避免廢氣對(duì)環(huán)境造成危害。方法采用電化學(xué)手段制備氫氟酸。結(jié)果通過(guò)試驗(yàn)得到了利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸的工藝條件，即硫酸用量24.00g，反應(yīng)時(shí)間維持在40分鐘，攪拌速率每分鐘控制在350轉(zhuǎn)。在這樣的工藝條件下，利用2000ml的磷化工含氟廢氣可制備出21.5%的氫氟酸。結(jié)論利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸能夠很好的將含氟廢氣中的氟提取出來(lái)，生成物對(duì)環(huán)境危害較小，在今后工業(yè)生產(chǎn)有著較高的利用價(jià)值，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：磷化工含氟廢氣 氫氟酸 制備

中圖分類號(hào)：X78 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2017）02-0280-01

在磷化工領(lǐng)域，含磷的礦石原料被強(qiáng)酸分解后，氟元素在蒸汽中以四氟化硅和氫氟酸氣體的形式存在。含氟的氣體具有強(qiáng)烈的腐蝕性，人體吸入少量含氟氣體后會(huì)感到強(qiáng)烈的不適，吸入過(guò)量會(huì)造成中毒身亡。磷化工含氟廢氣如果不進(jìn)行合理回收，其和水接觸之后，會(huì)污染水系，影響植物健康生長(zhǎng)。現(xiàn)階段我國(guó)磷化工尾氣氟排放標(biāo)準(zhǔn)為每立方米9mg，但是實(shí)際排放量往往會(huì)超標(biāo)。近些年，隨著人們環(huán)保意識(shí)逐漸提高，對(duì)廢氣污染的認(rèn)識(shí)越來(lái)越高?，F(xiàn)階段我國(guó)磷化工含氟廢氣回收率較低，針對(duì)這種情況我們研究了一種從磷化工含氟廢氣回收氟元素，利用生成的氟化鈣制備氫氟酸的方法，現(xiàn)將研究?jī)?nèi)容報(bào)告如下：

一、實(shí)驗(yàn)材料和方法

1.試驗(yàn)材料選取

本次研究過(guò)程中選擇使用氨水、氫氧化鈣、濃硫酸。這些試劑均由實(shí)驗(yàn)室提供。磷化工含氟廢氣主要是利用實(shí)驗(yàn)室磷礦自制，其中氟化硅和氫氟酸的比例為1：2。儀器包含了電子恒溫水浴鍋、電熱鼓風(fēng)干燥箱、PF-1氟離子選擇性電極、甘汞電極和鉛制燒杯。

2.實(shí)驗(yàn)原理

磷化工含氟廢氣中的氟化硅和氫氟酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng)物生成氟硅酸，然后氟硅酸和氨水反應(yīng)生成氟化銨和二氧化硅，通過(guò)過(guò)濾出去二氧化硅，濾液中的氟化銨和氫氧化鈣反應(yīng)生成氟化鈣和水，最后使用硫酸和氟化鈣反應(yīng)制備氫氟酸。整個(gè)反應(yīng)化學(xué)方程式如下（未配平）：

SiF4+HF=H2SiF6

H2SiF6+NH3·H2O=NH4F+SiO2

NH4F+Ca（OH）2=CaF2+NH3·H2O

CaF2+H2SO4=CaSO4+HF

3.試驗(yàn)方法

首先，將收集到的磷化工含氟廢氣通入到一定量的氨水中，經(jīng)過(guò)充分反應(yīng)之后將溶液中的二氧化硅沉淀過(guò)濾；其次，將過(guò)濾液放置于恒溫的水浴鍋中，適當(dāng)調(diào)節(jié)其溫度，向?yàn)V液中添加適量的氫氧化鈣溶液，反應(yīng)完畢后將溶液蒸干，得到氟化鈣；再次，將配置好的氟化鈣溶液放置于鉛制燒杯中，用油浴鍋加熱，并向其中添加硫酸溶液，并迅速將其密封好，將反應(yīng)生成的氟化氫氣體中導(dǎo)入到存有聚四氟乙烯的收集瓶中；最后，對(duì)最后制備的氫氟酸氣體用電化學(xué)分析法對(duì)其分?jǐn)?shù)進(jìn)行測(cè)定。

二、結(jié)果分析

1.硫酸用量對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

工藝條件為反應(yīng)時(shí)間60分鐘，攪拌速率為每分鐘300轉(zhuǎn)，考察硫酸用量對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的影響。詳細(xì)情況見(jiàn)表1所示。

通過(guò)對(duì)表1數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，隨著硫酸用量不斷加大，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)先增大后減小。在整個(gè)反應(yīng)體系中，由于硫酸和氟化鈣反應(yīng)不斷進(jìn)行，所產(chǎn)生的氫氟酸也會(huì)越來(lái)越多，所以氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)逐漸升高，當(dāng)硫酸用量達(dá)到24.00g后，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最高，隨后隨著硫酸量不斷增加，反應(yīng)體系所釋放的熱能也有所增加，參與反應(yīng)的硫酸量也會(huì)逐漸降低，因此，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)會(huì)顯著下降，由此可以確定最佳的硫酸添加量為24.00g為宜。

2.反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

工藝條件為濃硫酸量為24.00g，攪拌速率為每分鐘300轉(zhuǎn)，考察反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的影響。詳細(xì)情況見(jiàn)表2所示。

通過(guò)表2數(shù)據(jù)分析可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)時(shí)間少于40分鐘時(shí)，反應(yīng)時(shí)間對(duì)中氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較為顯著，隨著反應(yīng)時(shí)間的增加，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)逐漸增加。出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)樯傻牧蛩徕}會(huì)包裹在氟化鈣表面阻止化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，只有通過(guò)外力不斷攪拌，才能保證氟化鈣和硫酸充分的接觸。當(dāng)反應(yīng)時(shí)間超過(guò)40分鐘后，反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響較小，這是因?yàn)榉磻?yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，硫酸已經(jīng)和氟化鈣充分反應(yīng)，所以氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)幾乎不會(huì)發(fā)生變化，因此整個(gè)反應(yīng)時(shí)間選擇40分為宜。

3.攪拌速率對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

在本次研究的反應(yīng)體系中氟化鈣硫酸反應(yīng)后生成的生成物硫酸鈣具有較強(qiáng)的附著能力，因此在反應(yīng)過(guò)程中必須不斷其進(jìn)行攪拌，加速反應(yīng)速率。工藝條件為濃硫酸量為24.00g，反應(yīng)時(shí)間為40分鐘，考察攪拌速率對(duì)氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)產(chǎn)生的影響。詳細(xì)情況見(jiàn)表3所示。

通過(guò)對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)攪拌速度小于每分鐘350轉(zhuǎn)之后，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，出現(xiàn)這種情況主要是因?yàn)闈饬蛩岚诜}表面未充分到反應(yīng)，所以氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，當(dāng)攪拌速度為每分鐘350轉(zhuǎn)后，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大值，再增加速率，氫氟酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本維持不變，這主要是因?yàn)楫?dāng)達(dá)到一定轉(zhuǎn)速后反應(yīng)物能夠充分接觸，因此適宜的攪拌速率應(yīng)該維持在每分鐘350轉(zhuǎn)。

三、結(jié)論

在硫酸用量在24.00g， 反應(yīng)時(shí)間維持在40分鐘，攪拌速率每分鐘控制在350轉(zhuǎn)的工藝條件下，利用2000ml的磷化工含氟廢氣可制備出21.5%的氫氟酸。利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸能夠很好的將含氟廢氣中的氟提取出來(lái)，生成物對(duì)環(huán)境危害較小，在今后工業(yè)生產(chǎn)有著較高的利用價(jià)值，值得進(jìn)一步推廣應(yīng)用。

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