工業(yè)廢鹽酸的提純工藝研究

榮俊鋒，李寧寧，何媛，張曄，李伏虎，史同上，談德偉，陳金缽，張創(chuàng)

(安徽理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，安徽 淮南 232001)

鹽酸作為常用化學(xué)試劑被廣泛應(yīng)用于醫(yī)藥、食品[1]、化工等行業(yè)，鹽酸經(jīng)過(guò)管道輸送和儲(chǔ)存過(guò)程中往往會(huì)引入雜質(zhì)Fe3+，造成所制得的鹽酸泛黃，影響產(chǎn)品質(zhì)量。但在使用中對(duì)酸中金屬離子含量要求很高，成品鹽酸一般要求Fe3+的含量<0.5 mg/L[2]。目前，主要通過(guò)蒸餾法[3]和離子交換法[4-8]獲得較純凈的成品鹽酸。但蒸餾法工藝投資大、高耗能、對(duì)環(huán)境污染嚴(yán)重。離子交換法具有投資少(離子交換樹(shù)脂易洗脫再生)、工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便、處理能力強(qiáng)、環(huán)境友好等特點(diǎn)，因此是目前精制鹽酸的重要方法。本文采用“717”強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂(氯型)處理工業(yè)鹽酸(主要去除酸中金屬離子)。試驗(yàn)證明該工藝流程簡(jiǎn)單、操作方便、處理能力強(qiáng)、提純效果好。在工業(yè)鹽酸提純的眾多方法中占有重要地位。

1 離子交換法基本原理[9-11]

1.1 除金屬離子機(jī)理

Fe3+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Mn2+等離子在鹽酸中以配合陰離子形式存在，這種配合陰離子很容易被樹(shù)脂吸附交換，以Fe3+為例，反應(yīng)式如下：

RCl+[FeCl4]-→RFeCl4+Cl-或

1.2 再生機(jī)理

氯型陰離子交換樹(shù)脂吸附飽和后，可用去離子水洗脫、再生。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 試劑與儀器

鹽酸(36%～38%)、201×7(717)強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂(Cl-型)、95%乙醇、氫氧化鈉、三氯化鐵均為分析純；工業(yè)鹽酸(安徽蚌埠某化工企業(yè)原料)，主要成分見(jiàn)表1。

表1 工業(yè)鹽酸主要成分Table 1 Main components of industrial hydrochloric acid

722型光柵分光光度計(jì)；離子交換柱(與安徽蚌埠某化工企業(yè)聯(lián)合研制，透明有機(jī)玻璃材質(zhì)，長(zhǎng)徑比H/D=5，樹(shù)脂填裝系數(shù)0.8，配套的管道、閥門(mén)等附屬零件)。

2.2 工藝流程

陰離子交換法提純工業(yè)鹽酸工藝流程圖見(jiàn)圖1。

圖1 工業(yè)鹽酸除鐵工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of industrial hydrochloric acid iron removal

2.2.1 樹(shù)脂預(yù)處理 樹(shù)脂先經(jīng)過(guò)篩分去除細(xì)小粉末和不規(guī)則顆粒。接著水洗：用去離子水漂洗2～3次，浸泡24 h，中間換2次水，使樹(shù)脂充分溶脹，并除去無(wú)機(jī)物和機(jī)械性雜質(zhì)。再接著醇洗：瀝去去離子水，用95%乙醇漂洗樹(shù)脂2～3次，浸泡24 h，中間換2次水，再用去離子水漂洗至無(wú)醇味，除去樹(shù)脂中的有機(jī)物。預(yù)處理完成[12]。

2.2.2 裝柱 如圖1，將經(jīng)過(guò)預(yù)處理的(717)強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂裝入交換柱中，接著泵入去離子水(閥門(mén)2、3開(kāi)啟，其余關(guān)閉)，充填至規(guī)定高度，充填時(shí)注意避免氣泡夾帶。通過(guò)閥門(mén)6調(diào)整液面高度，使其高于樹(shù)脂層5 cm。

2.2.3 交換除鐵 按圖1所示工藝流程圖，將工業(yè)鹽酸由儲(chǔ)罐泵入離子交換柱中(閥門(mén)1、4、5開(kāi)啟，其余關(guān)閉)，調(diào)整閥門(mén)1開(kāi)啟量，控制流速 20 L/min。開(kāi)始出酸時(shí)，酸濃度先低后高，交換過(guò)程中，實(shí)時(shí)檢測(cè)酸濃度和Fe3+的含量，達(dá)規(guī)定要求時(shí)，從成品酸閥門(mén)排出，即為成品酸。未達(dá)要求的稀酸通過(guò)循環(huán)泵打入工業(yè)鹽酸儲(chǔ)罐，再重新回到離子交換柱進(jìn)行交換。當(dāng)檢測(cè)Fe3+超標(biāo)時(shí)，應(yīng)停止交換，對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行再生處理。

2.2.4 洗脫再生 按圖1所示工藝流程圖，用去離子水采用順流方式對(duì)樹(shù)脂進(jìn)行淋洗(閥門(mén)2、3、6開(kāi)啟，其余關(guān)閉)，流速20 L/min。排出液為含F(xiàn)eCl3的廢液，經(jīng)后續(xù)處理可回收FeCl3。淋洗時(shí)，不斷檢測(cè)流出液中鐵含量，至無(wú)鐵時(shí)淋洗結(jié)束，樹(shù)脂再生完成[13]。

樣品溶液與樹(shù)脂之間的交換過(guò)程是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，按樹(shù)脂預(yù)處理→裝柱→交換除鐵→洗脫再生這個(gè)步驟進(jìn)行。

本實(shí)驗(yàn)采用1，10-菲啰啉分光光度法(GB/T 3049—2006)測(cè)定鹽酸中鐵含量，采用稀釋倍數(shù)法(GB 11903—89)測(cè)定鹽酸色度。鐵脫除率(%)定義為：鐵脫除率=(C0-Ct)/C0×100%，其中C0酸初始鐵含量，本試驗(yàn)C0=5 400 mg/L，Ct為處理后酸的鐵含量。

3 結(jié)果與討論

3.1 酸濃度的影響

按圖1所示工藝流程圖，工業(yè)鹽酸流速控制在20 L/min，分別調(diào)節(jié)酸濃度為10%，20%，25%，30%，36%，38%，考察不同酸濃度對(duì)除鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 酸濃度對(duì)鐵脫除率的影響Fig.2 Effect of acid concentration on iron removal

由圖2可知，隨著酸濃度的不斷增加，鐵脫除率也在不斷增大，當(dāng)酸濃度為30%時(shí)，除鐵效果最好，鐵脫除率達(dá)94.8%。酸濃度在30%以上時(shí)，除鐵效果反而有所下降，這是因?yàn)殡x子交換過(guò)程是可逆反應(yīng)，Cl-濃度的增加，不利于交換反應(yīng)的正向進(jìn)行。

3.2 流速的影響

按圖1所示工藝流程圖，工業(yè)鹽酸酸濃度取30%，調(diào)整流速分別為5，10，15，20，25，30 L/min，考察不同流速對(duì)除鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)圖3。

由圖3可知，隨著流速的不斷增加，鐵脫除率也在不斷增大，當(dāng)流速為20 L/min時(shí)，除鐵效果最好，鐵脫除率達(dá)94.8%。流速>20 L/min，鐵脫除率趨于平緩，除鐵效果不是最好。這是因?yàn)榱魉龠^(guò)快，不利于離子交換的充分進(jìn)行。

圖3 流速對(duì)鐵脫除率的影響Fig.3 Effect of flow rate on iron removal

3.3 洗脫方式的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調(diào)整取20 L/min，考察不同洗脫方式對(duì)除鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 洗脫方式對(duì)鐵脫除率的影響Table 2 Effect of elution mode on iron removal

由表2可知，酸洗和水洗兼用效果優(yōu)于單獨(dú)酸洗脫或水洗脫。

3.4 再生方式的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調(diào)整取20 L/min，考察不同再生方式對(duì)除鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 再生方式對(duì)鐵脫除率的影響Table 3 Effect of regenerative way on iron removal

由表3可知，交換樹(shù)脂的再生用水最好是去離子水，其次蒸餾水、自來(lái)水。

3.5 再生用去離子水pH值的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調(diào)整取20 L/min，考察不同再生用去離子水pH值對(duì)除鐵效果的影響，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 再生用水pH值對(duì)鐵脫除率的影響Table 4 Effect of renewable water pH on iron removal

由表4可知，再生用去離子水pH為 4時(shí)，效果最優(yōu)，用pH值4的去離子水再生樹(shù)脂可以明顯縮短再生時(shí)間。

試驗(yàn)中可根據(jù)樹(shù)脂處理量和樹(shù)脂顏色變化來(lái)判斷交換終點(diǎn)。樹(shù)脂處理量為樹(shù)脂重量的400倍。樹(shù)脂顏色由黃色逐漸變?yōu)樯詈稚?；?shù)脂床3/4或3/5高度呈深褐色且底部出現(xiàn)淡黃色。

4 結(jié)論

“717”強(qiáng)堿性陰離子交換樹(shù)脂去除工業(yè)鹽酸中Fe3+的試驗(yàn)研究結(jié)果表明，當(dāng)所處理酸濃度為30%，流速控制在20 L/min時(shí)，除鐵效率最高，最高鐵脫除率為94.8%。先酸洗脫，再用pH為4的去離子水洗脫樹(shù)脂，其再生效果最好。該工藝方法為工業(yè)鹽酸的提純提供了一種新的方法。