膜分散萃取净化湿法磷酸的实验研究

白 洁，祝 杰，叶世超，谢 琤，辛杨杨

(四川大学化学工程学院，四川成都 610065)

膜分散萃取净化湿法磷酸的实验研究

白 洁，祝 杰，叶世超，谢 琤，辛杨杨

(四川大学化学工程学院，四川成都 610065)

采用名义孔径为20μm的烧结网作为分散介质，以水 /磷酸 /TBP+异丙醚和水/磷酸/TBP+煤油为体系，研究了磷酸浓度、混合液总流量、相比及不同萃取剂对萃取率的影响。实验结果表明:萃取率随磷酸浓度的增高而增高;随流量的变化而影响较小;随相比的增加而增加;在相同条件下的萃取效果是:TBP+异丙醚(25%)＞TBP+异丙醚(50%)＞TBP+煤油。

膜分散;湿法磷酸;萃取

0 引言

在对湿法磷酸进行净化过程中，萃取过程的强化主要是通过增大两相的接触面积;或者增大萃取过程的湍动程度，以增大传质系数。通过增大两相的湍动易造成两相的乳化，从而不利于萃取过程的进行。因此如何增大传质面积成了研究的热点。陈桂光、骆广生等［1-2］采用一相通过微孔陶瓷管分散;柳丹等［3］研究了脉冲筛板萃取塔使两相分散;林冲等［4］采用转盘萃取塔使两相更充分地分散;黄美英等［5］研究了往复振动筛板塔的萃取性能，并成功应用于工业生产;徐建洪、骆广生等［6-8］研究了膜分散萃取过程的作用机理;马岩龙［9］研究了正交设计在膜分散萃取湿法磷酸中的应用;张则光等［10］研究了水/磷酸/TBP+煤油的实验体系中各种单因素对萃取单级效率的影响。本文以孔径为20μm的不锈钢纤维烧结膜为分散介质，形成微米量级的液滴［11］，研究了磷酸浓度、混合液总流量、相比及复合萃取剂对萃取特性的影响，以期对放大设计和优化提供实验依据。

1 实验原理与方法

1.1 实验设备

萃取实验装置如图1所示，实验用萃取器用有机玻璃制成，萃取室包括两个部分，一部分是固定体积的萃取室，长×宽×高=160mm×20mm×1.7 mm，一部分是外界管件，可以调整体积大小，不锈钢纤维烧结膜尺寸为20 mm×20 mm，采用名义孔径为20μm烧结膜进行实验。磷酸溶液和萃取剂由储槽，通过蠕动泵的作用，在烧结膜前混合，并通过烧结膜被分散。混合液流经萃取室后进入澄清室进行分层，系统稳定后，每30 s接取一次萃取室流出的混合液，澄清后分离两相进行分析测试，取两次的算术平均值为测定结果。

反萃采用蒸馏水对萃取相进行反萃，实验装置与萃取实验装置相同，只是在操作过程中，以蒸馏水储槽代替磷酸储槽，以蒸馏水作为连续相，以含有磷酸的萃取相作为分散相。其他操作类似。

图1 微萃取实验装置简图

1.2 分析方法

水相中磷酸的含量用NaOH滴定，以百里酚酞作为指示剂，取平行测定结果的算术平均值为测定结果。平行测定结果的绝对差值不大于0.2%。萃取相中磷酸的含量通过物料衡算得到。萃取结果采用萃取率表示。定义为

式中，E为萃取率，%。

2 萃取实验结果与讨论

2.1 磷酸浓度对萃取过程的影响

图2为不同磷酸质量分数对萃取率的影响，萃取剂为TBP+异丙醚(体积分数为50%)。从图中可以看出磷酸浓度较高的，其萃取率也较高。出现这种情况的原因，主要是随着磷酸浓度的增大，在萃取过程中的传质推动力也会增大，萃取率提高。

图2 磷酸浓度对萃取率的影响

2.2 混合液总流量对萃取率的影响

磷酸萃取的萃取率随有总流量的变化趋势见图3。由图3可以看出，对于3种不同的萃取剂，萃取率受流量改变的影响较小。这是因为在萃取过程中，微反应器内没有返混现象的发生，传质速度快，所需时间短，在总流量为2 500 mL/min即停留时间为2.1s时已完成了萃取传质过程，故在总流量为1 000～2 500 mL/min的范围萃取率受流量改变的影响较小。

图3 流量对萃取率的影响

2.3 相比对萃取率的影响

相比对萃取率的影响见图4。由图4可以看出，萃取率随相比的增大而提高，但提高幅度逐渐减小，曲线斜率逐渐降低。这是因为萃取剂量的增加必然导致萃取出磷酸的量增加，故萃取率随相比的增大而提高;但是相比的增大使得对于体积一定的萃取剂在萃取过程中的浓度差降低，平均传质推动力下降，所以萃取率并不随着相比的增大而线性提高。

图4 相比对萃取率的影响

2.4 不同萃取剂的对比

图5是在不同萃取剂下的萃取曲线对比图。从图中可以看出，在相同条件下的萃取效果是:TBP+异丙醚(25%)＞TBP+异丙醚(50%)＞TBP+煤油。出现这样现象的原因是:对于TBP/煤油/水萃取体系而言，煤油加入的目的是作为稀释剂，降低TBP的黏度，使其在混合过程中更有利于充分混合接触，同时具有较好的分相性，在后续的澄清过程中能较快分层。但是煤油本身并没有对磷酸的萃取能力，煤油的含量越高则意味着萃取效果的降低。不同于煤油的是，异丙醚本身有着对磷酸的萃取能力，同时其自身黏度低，能与TBP互溶，故也能起到稀释剂的作用。同时我们从图上也可以看到含25%异丙醚的萃取体系萃取率要高于含50%异丙醚的萃取体系。

图5 不同萃取剂的对比曲线

3 小结

由萃取过程的实验数据分析可知:①萃取率随磷酸浓度的提高相比的增大而提高。②萃取率在混合液总流量为1 000～2 500 mL/min的范围内受流量变化的影响较小，这是由于在微反应器中无返混现象，传质速度快，传质达到平衡所需停留时间短。③以异丙醚取代煤油虽然能得到更高的萃取率，但异丙醚本身是易挥发，是易燃易爆的危险化学品，在后续的放大试验中要使用TBP-异丙醚体系为萃取剂时，应注意安全。

［1］ 陈桂光，孙 永，蒲 煜，等.陶瓷微滤膜分散传质性能［J］.化工学报，2002，56(6):644-647.

［2］ 骆广生，徐建鸿，李少伟，等.微结构设备内液-液两相流行为研究及其进展［J］.现代化工，2006，26(3): 19-23.

［3］ 柳 丹，丁一刚，陈 虎，等.脉冲筛板萃取塔在湿法磷酸工艺中的试验研究［J］.化工矿物与加工，2009 (3):11-13.

［4］ 林 冲，罗 应，李青飞，等.转盘萃取塔在净化湿法磷酸中的应用［J］.化工装备技术，2009，30(2):51-54.

［5］ 黄美英.湿法磷酸净化中往复式振动筛板塔的应用研究［J］.磷肥与复肥，2005，20(3):18-20.

［6］ 徐建鸿，骆广生，孙 永，等.膜分散式混合澄清萃取器性能研究［J］.高校化学工程学报，2003，17(4): 361-364.

［7］ 徐建鸿，骆广生，陈桂光，等.液-液微尺度混合体系的传质模型［J］.化工学报，2005，56(3):435-440.

［8］ Chen G G，Luo G S，Sun Y，et al.A ceramic microfiltration tube membrane dispersion extractor［J］.A ICh E Journal，2004，50(2):382-387.

［9］ 马岩龙，叶世超，张则光，等.正交设计在膜分散萃取湿法磷酸中的应用［J］.化工矿物与加工，2011(8): 1-4.

［10］ 张则光，马岩龙，叶世超，等.膜分散萃取净化湿法磷酸［J］.化工进展，2011，30(7):1632-1636.

［11］ 孙 永，骆广生，蒲 煜，等.一种新型的萃取过程——膜分散萃取［J］.清华大学学报:自然科学版，2000(10):40-42.

Research on Purifying W et-process Phosphoric Acid by M embrane Dispersion Extraction

BAI Jie，ZHU Jie，YE Shi-chao，XIE Chen，XIN Yang-yang
(College of Chemical Engineering，Sichuan university，Chengdu 610065，China)

The 20μm stainless steel fiber sintered membrane is used as dispersion media to study the effects of phase ratio，using the system ofwater/phosphate acid/TBP+Isopropyl ether and water/phosphate acid/TBP+kerosene，the effects of phosphoric acid concentration，volume flow，phase ratio and different extractant on the extraction，are studied.The results shows that the extraction efficiency is increased with the raising of phosphoric acid concentration;barely changed when the volume flow changed;raised with the increasing of phase ratio;under the same condition，the extraction efficiency of different extractant is TBP+Isopropyl ether(25%)＞TBP+isopropyl ether(50%)＞TBP+kerosene.

membrane dispersion;wet-process phosphoric acid;extraction

TQ126.35

A

1003-3467(2013)05-0038-03

2013-01-21

白 洁(1987-)，女，在读硕士，从事传质分离研究工作，电话:13568929404;通讯作者:叶世超(1956-)，男，博士，博导，从事磷酸净化、气体吸收等研究工作，E-mail:shichaoye@sina.com。