酸性镁盐溶液洗涤磷矿除镁新工艺研究

周玉新，魏新宇，蔡澄璐，赵　蕾

(武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430074)



酸性镁盐溶液洗涤磷矿除镁新工艺研究

周玉新，魏新宇，蔡澄璐，赵蕾

(武汉工程大学化工与制药学院 绿色化工过程教育部重点实验室，湖北 武汉 430074)

摘要：针对湖北宜昌高镁磷矿，采用酸性镁盐溶液循环洗涤除镁技术进行间歇除镁实验，探讨磷矿除镁最优工艺条件；并在最优工艺条件下对宜昌磷矿进行了半连续除镁实验。结果表明，酸性镁盐溶液洗涤磷矿除镁的最优工艺条件为：酸用量11 g·(100 g)-1、反应温度60 ℃、液固比3∶1(mL∶g)、反应时间2.0 h，在此条件下，宜昌磷矿中MgO含量降至0.5%以下，除镁率可达到80%以上，P2O5损失率低于2%。该技术成本低、选择性好、可行性高、无废液排放，具有较高的应用价值和经济效益。

关键词：磷矿；化学除镁；酸性镁盐

随着我国磷肥产业的迅速发展和高品位磷矿资源的逐渐枯竭，中低品位磷矿的开发利用受到广泛关注，由于湖北绝大部分中低品位沉积磷块岩矿一般都伴有一定数量的白云石矿物，而白云石矿物中的MgO对酸法加工十分不利[1]。一方面，镁离子会增大磷酸黏度，增加传质阻力，降低磷矿分解速率，增加过程能耗[2-3]；另一方面，镁离子还会影响以湿法磷酸为原料生产的磷化工产品的性能，降低肥料中水溶性P2O5含量，使肥料产品的物理性能变差，吸湿结块，造成肥料运输、贮存和施用困难，在湿法浓磷酸中容易导致设备结垢和管道堵塞，特别是在生产工业级磷酸盐过程中，直接影响到产品的质量。因此，降低磷矿中MgO的含量对磷矿的后续加工十分必要[4-8]。

酸性镁盐溶液循环洗涤磷矿除镁新工艺是作者所在研究室在理论分析和实验研究的基础上开发的。作者在此针对湖北宜昌高镁磷矿，应用酸性镁盐溶液洗涤磷矿除镁技术进行了间歇除镁及半连续除镁实验研究。

1实验

1.1工艺流程

间歇除镁实验工艺流程：先将高MgO含量的磷矿粉或磷矿浆放入除镁反应槽中，再将配制好的酸性镁盐溶液按一定比例以细滴状喷洒入反应槽中。在一定温度下反应一定时间后，将反应料浆进行液固分离，得到脱除了大部分MgO的脱镁矿浆，分离出来的清液主要为MgSO4溶液。固相(或浓密相)经洗涤后得到脱镁矿，干燥后测定其MgO含量和P2O5含量，计算除镁率和P2O5损失率，作为选择适宜反应条件的判据。工艺流程示意图如图1所示。

半连续除镁实验工艺流程：在间歇除镁实验的基础上，将除镁过程中分离出的清液补加一定量的硫酸，对其酸化后循环使用，进行半连续除镁实验。工艺流程示意图如图2所示。

1.2除镁率和P2O5损失率的计算

按GB/T 1871.1-1995方法分析脱镁矿中的MgO含量和P2O5含量，计算除镁率和P2O5损失率。

除镁率(η1)按式(1)计算：

(1)

式中：G1、G2分别为除镁前后的磷矿质量；c1、c2分别为除镁前后磷矿中MgO的含量。

P2O5损失率(η2)按式(2)计算：

(2)

式中：y1、y2分别为除镁前后磷矿中P2O5的含量。

2结果与讨论

2.1间歇除镁实验

采用单因素法研究酸性镁盐溶液洗涤磷矿除镁间歇实验的适宜工艺条件，选取酸用量、反应温度、液固比、反应时间等4个因素，以除镁率和P2O5损失率作为指标。实验所用的宜昌磷矿矿样组成如下：P2O526.88%，CaO 42.01%，MgO 2.73%，其中MgO含量为P2O5含量的10.17%。

2.1.1酸用量的影响

在矿浆含水量为45%、反应温度为50 ℃、液固比为3∶1(mL∶g，下同)、反应时间为2.0 h的条件下进行除镁实验，考察酸用量(6 g、8 g、10 g、11 g、12 g，以100 g磷矿计)对除镁效果的影响，结果见图3。

从图3可以看出，酸用量越多，脱镁矿中MgO含量越少，除镁率越高，P2O5损失率相应降低；但是随着酸用量的增加，磷矿中的部分氟磷酸钙会被溶解而进入溶液，导致磷矿的P2O5损失率升高。故，酸用量不可过多，在保证较高的除镁率、适宜的P2O5损失率的情况下，选择适宜酸用量为11 g·(100 g)-1。

2.1.2反应温度的影响

在矿浆含水量为45%、酸用量为11 g·(100 g)-1、液固比为3∶1、反应时间为2.0 h的条件下进行除镁实验，考察反应温度(40 ℃、45 ℃、50 ℃、55 ℃、60 ℃)对除镁效果的影响，结果见图4。

从图4可以看出，随着反应温度的升高，除镁率逐渐升高，P2O5损失率先升高后降低。这是由于，较低的反应温度会降低H+与白云石中MgCO3反应的速度，同时由于液相黏度增大，使得反应的选择性降低，导致P2O5损失率升高；升高反应温度可以减小液相黏度，加快液相中酸性镁盐的H+离解速度，提高反应速率，使得除镁率升高，P2O5损失率降低。综合考虑除镁率和P2O5损失率，选择适宜反应温度为50～60 ℃，在磷矿半连续除镁过程中此温度可由除镁反应放出的热量维持。

2.1.3液固比的影响

在矿浆含水量为45%、酸用量为11 g·(100 g)-1、反应温度为60 ℃、反应时间为2.0 h的条件下进行除镁实验，考察液固比(1.5∶1、2∶1、2.5∶1、3∶1、3.5∶1)对除镁效果的影响，结果见图5。

从图5可以看出，液固比对脱镁矿中P2O5、MgO含量影响较大。当液固比较低时，料浆流动性差，反应物料混合不充分，不利于H+的扩散，液相中H+对白云石中MgCO3的选择性偏低，导致除镁率较低，且P2O5损失率也较高。提高液固比有利于减小液相黏度，且加快了液相中酸性镁盐的H+离解速度，有利于除镁反应的进行；然而液固比的提高又导致液相中H+浓度降低，对除镁反应的进行有一定影响，还会增加后续液固分离的负荷。综合考虑除镁率和P2O5损失率，选择适宜液固比为3∶1。

2.1.4反应时间的影响

在矿浆含水量为45%、酸用量为11 g·(100 g)-1、反应温度为60 ℃、液固比为3∶1的条件下进行除镁实验，考察反应时间(1.0 h、1.5 h、2.0 h、2.5 h、3.0 h)对除镁效果的影响，结果见图6。

从图6可以看出，反应时间对脱镁矿中MgO含量和P2O5含量的影响较大。当反应时间过短时，反应不完全，不能充分除去镁离子；随反应时间的延长(从1.0 h延长到2.0 h)，由于H+对白云石的选择性高于其对磷矿的选择性，大部分的H+分解了白云石中的MgCO3，故除镁率逐渐升高，P2O5损失率也逐渐升高；若再继续延长反应时间，除镁率虽变化不大，但P2O5损失率却快速升高，且设备的生产效率会降低，故反应时间不宜过长。综合考虑除镁率和P2O5损失率，选择适宜反应时间为2.0 h。

2.2半连续除镁实验

在间歇除镁实验适宜的工艺条件下，将脱镁矿浆用沉降法进行液固分离，再用一定量硫酸酸化分离出液相，进行半连续除镁实验。磷矿浆一次性加入，待磷矿浆预热到反应温度后，逐渐加入配制好的酸性镁盐溶液进行除镁反应。反应后的料浆经沉降分离，得到固含量约65%的浓矿浆和清液。清液经硫酸酸化成酸性镁盐溶液，可循环使用。除镁反应后的浓矿浆经2次洗涤-沉降，得到固含量为65%的脱镁浓矿浆，取样分析有关数据，结果见表1。

从表1可知，酸性镁盐溶液循环洗涤磷矿除镁技术是可行的，能够得到固含量约65%的除镁浓矿浆，除镁率可达80%以上。

在半连续除镁实验的基础上，通过放大实验，实现连续脱镁，将大部分脱镁液加酸循环，少部分回收MgO后返回磨矿系统，使整个工艺无废水排放，实现该技术的工业化。

表1半连续除镁实验结果

3结论

研究了宜昌磷矿的酸性镁盐溶液洗涤除镁工艺，通过间歇除镁实验探讨了宜昌磷矿的适宜除镁工艺条件，并对宜昌磷矿进行半连续除镁实验。宜昌磷矿酸性镁盐溶液洗涤除镁的适宜工艺条件为：酸用量11 g·(100 g)-1、反应温度60 ℃、液固比3∶1(mL∶g)、反应时间2.0 h。在此条件下，宜昌磷矿中MgO含量降至0.5%以下，除镁率可达80%以上，P2O5损失率低于2%。表明，酸性镁盐溶液循环洗涤磷矿除镁技术是可行的，能够得到固含量约65%的脱镁浓矿浆。该技术成本低、选择性好、除镁率高、无废液排放，具有较高的工业应用价值。

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Removal of Magnesium from Phosphorite by Acidic Magnesium Salt Washing

ZHOU Yu-xin,WEI Xin-yu,CAI Cheng-lu，ZHAO Lei

(KeyLaboratoryofGreenChemicalProcessofMinistryofEducation,SchoolofChemicalEngineeringandPharmacy，WuhanInstituteofTechnology,Wuhan430074,China)

Keywords：phosphorite;magnesiumremovalwithchemicalmethod;acidicmagnesiumsalt

Abstract：AimedathighmagnesiumphosphoriteinYichangcity,Hubeiprovince,theoptimummagnesiumremovalprocessconditionswereinvestigatedbyintermittentexperimentwiththetechnologyofmagnesiumremovalwithacidicmagnesiumsaltsolution.Afterthat,asemi-continuousexperimentofYichangphosphoritewascarriedoutundertheoptimumconditions.Resultsshowedthat,theoptimumconditionswereasfollows:aciddosageof11g·(100g)-1,reactiontemperatureof60 ℃,liquid-solidratioof3∶1(mL∶g),reactiontimeof2.0h.Underaboveconditions,thecontentofMgOdecreasedbelow0.5%,theremovalrateofmagnesiumwasupto80%,andthelossrateofP2O5wasbelow2%.Thistechnologyhasadvantagesoflowcost,goodselectivity,highpracticability,nowastedischarge,andhasveryhighapplicationvalueandeconomicbenefits.

收稿日期：2016-01-29

作者简介：周玉新(1957-)，男，湖北武汉人，教授，研究方向：化学工程与工艺，E-mail：zyx8119@163.com。

doi：10.3969/j.issn.1672-5425.2016.06.014

中图分类号：TQ 126.3+9

文献标识码：A

文章编号：1672-5425(2016)06-0063-04