离子交换法除去湿法磷酸中铁离子的研究

2010-01-11魏世辕熊祥祖张林锋李志保李文歆

浙江化工 2010年1期

魏世辕熊祥祖王威张林锋李志保李文歆

（武汉工程大学磷化工工程中心，湖北武汉 430073）

0 引言

磷酸的生产主要分为热法磷酸和湿法磷酸二种，另外还有窑法磷酸［1］。窑法磷酸因工艺不成熟，技术难度大等原因，尚未有工业化报道。热法工艺能够制取较高纯度的磷酸，但其工艺电耗大、成本高、并产生大量粉尘和有毒气体。近年来，一些发展中国家的经济不断发展，对能源的需求增长迅速，但国际能源供应不足，导致热法磷酸的价格一路走高，使其继续发展受到了制约。因此，低能耗低成本的湿法磷酸净化技术又被重新看好。湿法磷酸原料和工艺特点致使其成品中成分复杂、杂质含量相对较高，主要含钙、铝、镁、铁等［2］。为获得用于制取精细磷酸盐的湿法磷酸，必须进行净化和浓缩。湿法磷酸净化几十年来人们展开了大量的研究，出现了很多方法，主要有化学沉淀法、重结晶法、电渗析、离子交换法、溶剂萃取法、乳化液膜法［3，4］等。

铁离子是湿法磷酸中的杂质之一。湿法磷酸中所含的铁，会增大磷酸溶液的粘度、降低酸的质量；在其浓缩时，会生成不溶性淤渣，部分沉积在设备壁上形成结垢，部分悬浮在酸中，会沉积在后续加工的储存设备甚至管道中，影响生产的正常运行，还造成五氧化二磷的损失［5］。因此去除铁离子是其生产过程中的一个重要研究内容，上述方法在去除铁离子方面，虽然有各自的特点，但由于经济或技术方面的原因都没有实现工业化。

本文采用离子交换法净化湿法磷酸中的铁离子，考查了树脂用量、温度、时间等因素对铁净化率的影响。通过试验得出：在搅拌速度为300r/min，温度为30℃，树脂和湿法磷酸的质量比为1：1.5，时间为5min的条件下，效果较好。其中铁的去除率达到72.25％。

1 实验部分

1.1 实验原料

湿法磷酸由某化工集团有限公司提供，系二水法湿法磷酸，铁的含量为0.1344％。

1.2 实验主要原料及仪器

JK008均孔强酸性阳离子交换树脂安徽皖东化工有限公司；

电子天平型号EL204梅特勒-拖利多仪器（上海）有限公司；

电子恒速搅拌器型号GS12-B上海安亭电子仪器厂；

电子恒温不锈钢水浴锅型号HHS-4S余姚市上通温控仪表厂；

电子恒温不锈钢水浴锅型号HHS-4S余姚市上通温控仪表厂。

1.3 实验方法

1.3.1 树脂的处理

树脂成品中，一般都夹杂着一些无机杂质、未发生反应的单体、树脂结构中的低分子聚合物、树脂的分解产物等。这些物质在使用时会逐渐溶解于溶液中。因此，在使用前需要对树脂进行处理。首先用40℃左右的温水冲洗，直至洗液无黄色呈透明状，且pH值为中性。然后用4％NaOH浸泡8h，之后排去碱液，用温蒸馏水冲洗至排出液接近中性，再用10％HCl浸泡24h，排出酸液，用蒸馏水冲洗至排出液接近中性为止［6］。最后将树脂用抽滤机过滤，并用干的滤纸吸干树脂表面的水分。

1.3.2 实验步骤

实验过程中每次均将150g待净化的湿法磷酸加入500mL带有搅拌装置的锥形瓶中，然后加入上述已去除表面水分的树脂，进行离子交换；不断变换反应条件，待反应交换过程结束后，用真空泵抽虑，树脂回收，所得滤液即为净化后酸。再对其离子含量进行检测分析。铁含量的测定按GB/T1871.2-1995进行。

2 实验结果与讨论

2.1 树脂用量对铁去除率的影响

在其他实验条件不变时改变树脂用量以考察其对铁去除率的影响。实验条件为：搅拌速度250r/min、温度25℃、时间10min。图1即为不同树脂用量时铁去除率。

由图1可知，树脂用量对铁净化率影响较大，且随树脂用量的增加，铁净化率呈上升趋势。树脂用量的增加虽然有利于提高铁金属离子净化率，但也增加了后续树脂回收工艺操作成本。因此，考虑到净化效果、经济成本等多方面因素，对于150g原料磷酸来说，树脂用量确定为100～110g为宜。

2.2 操作温度对铁去除率的影响

在其他实验条件不变时改变温度来考察其对铁去除率的影响。实验条件为：搅拌速度250r/min、时间15min。图2即为不同反应温度下铁的去除率。

由图2可知，总的趋势是铁净化率随着温度的升高而增大。当温度低于30℃时，铁净化率随温度的升高有明显地提高，这是因为温度升高加快离子在树脂内扩散和膜扩散，且使溶液的黏度降低，促进离子交换的进行，因此铁去除率明显的增加；而当温度高于30℃时，铁净化率随温度升高而提高的幅度不大。。但温度过高时，使树脂在中强酸的作用下热分解加重，降低树脂中活性基团的活性，不利于离子交换的进行。因此，温度控制在25～30℃较佳，考虑到加热成本因素，选择30℃为宜。

2.3 搅拌速率对铁去除率的影响

在其他实验条件不变时改变搅拌速度来考察其对铁去除率的影响。实验条件为：温度25℃、时间5min。图4即为不同搅拌速度时铁去除率。

由图4可知，该树脂在脱除该磷酸所含铁金属离子的过程中。不改变其他条件时，搅拌速度对铁脱除效率影响较大且成正比关系。说明铁脱除效率对搅拌速度比较敏感，表明受外扩散的影响较大。为了提高铁的脱除效率而增大搅拌速度。可减小树脂边界液膜的厚度，有利于传质过程。但当搅拌速度继续增大到一定程度，液流的阻力增加，不利于传质。而且树脂的互相磨擦，碰撞会加剧，并导致树脂的破裂，造成树脂的损失增大使成本上升。因此，综合考虑搅拌速度取300r/min为宜。

2.4 交换时间对铁去除率的影响

在其他实验条件不变时改变反应时间来考察其对铁去除率的影响。实验条件为：搅拌速度300r/min、温度30℃。图3即为不同反应时间下铁的去除率：

由图3可知，随着反吸附时间的延长铁净化率也随之提高。当反应时间由0min增加到5min，铁净化率增加明显，迅速增大到72.25％；继续搅拌，铁净化率增长非常缓慢，甚至还有下降的趋势。分析原因，这是由于树脂对铁离子的吸附已经达到了饱和，继续反应还可能使铁离子重新回到磷酸中。因此考虑到反应时间和成本的因素。选取反应时间为5min适宜。