利用磷化工含氟废气制备氢氟酸

李凌成

摘 要： 目的研究利用磷化工含氟废气制备氢氟酸，系统的研究硫酸的用量、反应时间和搅拌时间对氢氟酸质量分数影响，避免废气对环境造成危害。方法采用电化学手段制备氢氟酸。结果通过试验得到了利用磷化工含氟废气制备氢氟酸的工艺条件，即硫酸用量24.00g，反应时间维持在40分钟，搅拌速率每分钟控制在350转。在这样的工艺条件下，利用2000ml的磷化工含氟废气可制备出21.5%的氢氟酸。结论利用磷化工含氟废气制备氢氟酸能够很好的将含氟废气中的氟提取出来，生成物对环境危害较小，在今后工业生产有着较高的利用价值，值得进一步推广应用。

關键词：磷化工含氟废气 氢氟酸 制备

中图分类号：X78 文献标识码：A 文章编号：1003-9082（2017）02-0280-01

在磷化工领域，含磷的矿石原料被强酸分解后，氟元素在蒸汽中以四氟化硅和氢氟酸气体的形式存在。含氟的气体具有强烈的腐蚀性，人体吸入少量含氟气体后会感到强烈的不适，吸入过量会造成中毒身亡。磷化工含氟废气如果不进行合理回收，其和水接触之后，会污染水系，影响植物健康生长。现阶段我国磷化工尾气氟排放标准为每立方米9mg，但是实际排放量往往会超标。近些年，随着人们环保意识逐渐提高，对废气污染的认识越来越高。现阶段我国磷化工含氟废气回收率较低，针对这种情况我们研究了一种从磷化工含氟废气回收氟元素，利用生成的氟化钙制备氢氟酸的方法，现将研究内容报告如下：

一、实验材料和方法

1.试验材料选取

本次研究过程中选择使用氨水、氢氧化钙、浓硫酸。这些试剂均由实验室提供。磷化工含氟废气主要是利用实验室磷矿自制，其中氟化硅和氢氟酸的比例为1：2。仪器包含了电子恒温水浴锅、电热鼓风干燥箱、PF-1氟离子选择性电极、甘汞电极和铅制烧杯。

2.实验原理

磷化工含氟废气中的氟化硅和氢氟酸发生化学反应物生成氟硅酸，然后氟硅酸和氨水反应生成氟化铵和二氧化硅，通过过滤出去二氧化硅，滤液中的氟化铵和氢氧化钙反应生成氟化钙和水，最后使用硫酸和氟化钙反应制备氢氟酸。整个反应化学方程式如下（未配平）：

SiF4+HF=H2SiF6

H2SiF6+NH3·H2O=NH4F+SiO2

NH4F+Ca（OH）2=CaF2+NH3·H2O

CaF2+H2SO4=CaSO4+HF

3.试验方法

首先，将收集到的磷化工含氟废气通入到一定量的氨水中，经过充分反应之后将溶液中的二氧化硅沉淀过滤；其次，将过滤液放置于恒温的水浴锅中，适当调节其温度，向滤液中添加适量的氢氧化钙溶液，反应完毕后将溶液蒸干，得到氟化钙；再次，将配置好的氟化钙溶液放置于铅制烧杯中，用油浴锅加热，并向其中添加硫酸溶液，并迅速将其密封好，将反应生成的氟化氢气体中导入到存有聚四氟乙烯的收集瓶中；最后，对最后制备的氢氟酸气体用电化学分析法对其分数进行测定。

二、结果分析

1.硫酸用量对氢氟酸质量分数的影响

工艺条件为反应时间60分钟，搅拌速率为每分钟300转，考察硫酸用量对氢氟酸质量分数产生的影响。详细情况见表1所示。

通过对表1数据分析发现，随着硫酸用量不断加大，氢氟酸质量分数先增大后减小。在整个反应体系中，由于硫酸和氟化钙反应不断进行，所产生的氢氟酸也会越来越多，所以氢氟酸质量分数会逐渐升高，当硫酸用量达到24.00g后，氢氟酸质量分数达到最高，随后随着硫酸量不断增加，反应体系所释放的热能也有所增加，参与反应的硫酸量也会逐渐降低，因此，氢氟酸质量分数会显著下降，由此可以确定最佳的硫酸添加量为24.00g为宜。

2.反应时间对氢氟酸质量分数的影响

工艺条件为浓硫酸量为24.00g，搅拌速率为每分钟300转，考察反应时间对氢氟酸质量分数产生的影响。详细情况见表2所示。

通过表2数据分析可以发现，当反应时间少于40分钟时，反应时间对中氢氟酸质量分数的影响较为显著，随着反应时间的增加，氢氟酸质量分数逐渐增加。出现这种现象主要是因为生成的硫酸钙会包裹在氟化钙表面阻止化学反应的进行，只有通过外力不断搅拌，才能保证氟化钙和硫酸充分的接触。当反应时间超过40分钟后，反应时间对氢氟酸质量分数的影响较小，这是因为反应时间较长，硫酸已经和氟化钙充分反应，所以氢氟酸质量分数几乎不会发生变化，因此整个反应时间选择40分为宜。

3.搅拌速率对氢氟酸质量分数的影响

在本次研究的反应体系中氟化钙硫酸反应后生成的生成物硫酸钙具有较强的附着能力，因此在反应过程中必须不断其进行搅拌，加速反应速率。工艺条件为浓硫酸量为24.00g，反应时间为40分钟，考察搅拌速率对氢氟酸质量分数产生的影响。详细情况见表3所示。

通过对表3数据进行分析发现，当搅拌速度小于每分钟350转之后，氢氟酸质量分数较低，出现这种情况主要是因为浓硫酸包裹在氟化钙表面未充分到反应，所以氢氟酸质量分数较低，当搅拌速度为每分钟350转后，氢氟酸质量分数达到最大值，再增加速率，氢氟酸质量分数基本维持不变，这主要是因为当达到一定转速后反应物能够充分接触，因此适宜的搅拌速率应该维持在每分钟350转。

三、结论

在硫酸用量在24.00g， 反应时间维持在40分钟，搅拌速率每分钟控制在350转的工艺条件下，利用2000ml的磷化工含氟废气可制备出21.5%的氢氟酸。利用磷化工含氟废气制备氢氟酸能够很好的将含氟废气中的氟提取出来，生成物对环境危害较小，在今后工业生产有着较高的利用价值，值得进一步推广应用。

参考文献

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