鄭紹聰,彭 操,王智娟,朱麗萍,賀池先
(1.曲靖師范學(xué)院化學(xué)化工學(xué)院,云南曲靖655011;2.云南省化工研究院云南昆明650228)
磷石膏是濕法磷酸生產(chǎn)過程中磷礦與硫酸反應(yīng)生成的工業(yè)廢渣,每生產(chǎn)1 t磷酸約產(chǎn)生4~5 t磷石膏[1]。隨著高濃度磷復(fù)肥生產(chǎn)能力迅速擴大,其副產(chǎn)品磷石膏堆積如山,不僅占用大量的土地,而且導(dǎo)致周邊地下水和大氣污染。磷石膏的主要成分為CaSO4·2H2O,硫質(zhì)量分數(shù)達到20%以上,是一種優(yōu)質(zhì)的硫資源[2]。從磷石膏中回收硫資源的研究[3],對環(huán)境保護和資源的回收利用以及對磷肥工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展均具有重要的意義。
近年來,國內(nèi)外專家學(xué)者對磷石膏資源的開發(fā)利用開展了大量的研究工作,其中以磷石膏和碳酸銨為原料制備硫酸銨是利用磷石膏的有效途徑[4]之一,不僅解決了磷石膏環(huán)境污染問題,還使硫資源獲得二次利用。本研究主要探討磷石膏制備硫酸銨的最佳工藝條件。
以磷石膏和碳酸銨為原料復(fù)分解法制備硫酸銨的反應(yīng)可用下式表示:
該反應(yīng)的化學(xué)平衡是由硫酸鈣與碳酸鈣在硫酸銨溶液中的溶解度決定的。根據(jù)文獻[5]報道,25℃條件下,CaSO4和CaCO3的溶度積常數(shù)分別為ksp(CaCO3)=2.9 ×10-9,ksp(CaSO4)=9.1 ×10-6,該反應(yīng)的化學(xué)平衡常數(shù),由此可知,該反應(yīng)的推動力很大,能獲得較高的轉(zhuǎn)化率。
碳酸銨:AR,天津市風(fēng)船化學(xué)試劑科技有限公司;鄰苯二甲酸氫鉀:AR;95%乙醇;磷石膏樣品取自云天化集團下屬云南天安化工有限公司,樣品經(jīng)自然風(fēng)干、篩分等預(yù)處理,化學(xué)成分見表1。
表1 磷石膏的化學(xué)成分Table 1 Chemical composition of phosphogypsum w/%
FA1004電子天平;85-2數(shù)顯控溫磁力攪拌器;HH-2數(shù)顯恒溫水浴鍋;DZF6050真空干燥箱。
原料磷石膏中含有多種雜質(zhì),酸性較大,不利于磷石膏制硫酸銨的反應(yīng)。為了避免磷石膏中游離酸和雜質(zhì)對反應(yīng)的影響,采用水洗工藝預(yù)處理去處磷石膏中部分游離酸和雜質(zhì),經(jīng)處理后磷石膏濾餅含水率控制在30%以內(nèi)。稱取一定量的硫酸銨制備成一定濃度的溶液,將磷石膏漿加入到碳酸銨溶液中,在一定溫度下攪拌反應(yīng),待反應(yīng)完成后,反應(yīng)生成的碳酸鈣和硫酸銨料漿通過分液漏斗分離,固體產(chǎn)品為碳酸鈣,液相經(jīng)過蒸發(fā)、濃縮、結(jié)晶、干燥得到高純度的硫酸銨,采用容量法測定硫酸銨純度。其工藝流程如圖1所示。
圖1 磷石膏制硫酸銨工藝流程Figure 1 Ammonium sulfate prepared from phosphogypsum
在一定實驗條件下研究原料物質(zhì)的量比、反應(yīng)溫度、反應(yīng)時間等工藝參數(shù)對磷石膏轉(zhuǎn)化制備硫酸銨轉(zhuǎn)化率的影響,旨在提高原料的轉(zhuǎn)化率和硫酸銨的質(zhì)量。
反應(yīng)溫度為50℃,反應(yīng)時間為1.5 h,液固比為5.0,攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min,研究原料液中與物質(zhì)的量比對磷石膏中轉(zhuǎn)化率的影響,結(jié)果見圖2。
圖2原料液中與物質(zhì)的量比對轉(zhuǎn)化率的影響Figure 2 Influence of molar ratio of andin raw liquid on the conversion rate
反應(yīng)溫度是影響化學(xué)反應(yīng)的主要因素之一,為了考察反應(yīng)溫度對磷石膏轉(zhuǎn)化率的影響,選擇碳酸銨與磷石膏的物質(zhì)的量比為1.5,反應(yīng)時間為1.5 h,液固比為5.0,攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min,研究反應(yīng)溫度對磷石膏中轉(zhuǎn)化率的影響,結(jié)果見圖3。
式中Ci為工件Ji的完工時間。表1所示為一個FJSP實例,共有4個工件和3臺機器。以工件J1為例進行說明,工件J1的加工過程包括3道具有順序約束的工序,加工路線為O11→O12→O13,每道工序可能有多臺可以選擇的機器進行加工,如工序O11有M1、M2和M3共3臺機器可以選擇,對應(yīng)的加工時間分別為3、4和4,工序O11只能選擇其中一臺機器進行加工,如表1所示,當(dāng)工序O11選擇機器M3進行加工時,對應(yīng)的加工時間為4,其他工件以此類推。
圖3 反應(yīng)溫度對轉(zhuǎn)化率的影響Figure 3 Effect of temperature on reaction conversion rate
選擇碳酸銨與磷石膏的物質(zhì)的量比為1.5,反應(yīng)溫度為50℃,液固比為5.0,攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min,研究反應(yīng)時間對磷石膏中轉(zhuǎn)化率的影響,結(jié)果見圖4。
圖4 反應(yīng)時間對轉(zhuǎn)化率的影響Figure 4 Influence of reaction time on the conversion rate
選擇碳酸銨與磷石膏的物質(zhì)的量比為1.5,反應(yīng)溫度為50℃,反應(yīng)時間為90 min,攪拌器轉(zhuǎn)速為300 r/min,研究液固比對磷石膏中轉(zhuǎn)化率的影響,結(jié)果見圖5。
圖5 液固比對轉(zhuǎn)化率的影響Figure 5 Influence of liquid-solid ratio on the conversion rate
選擇碳酸銨與磷石膏的物資的量比為1.5,反應(yīng)溫度為50℃,反應(yīng)時間為90 min,液固比為5.0,研究攪拌器轉(zhuǎn)速對磷石膏中轉(zhuǎn)化率的影響,結(jié)果見圖6。
圖6 攪拌器的轉(zhuǎn)速對轉(zhuǎn)化率的影響Figure 6 Influence of stirrer speed on the conversion rate
磷石膏復(fù)分解法制備硫酸銨是磷石膏資源化應(yīng)用研究途徑之一,相比較磷石膏熱分解制備SO2聯(lián)產(chǎn)CaO的研究,具有能耗低,操作條件簡單等優(yōu)點。通過實驗研究得了以下結(jié)論:
1)磷石膏中含有磷酸,硫酸,未分解磷礦,有機質(zhì)和酸不溶物等雜質(zhì),嚴(yán)重影響磷石膏制備硫酸銨的轉(zhuǎn)化率,也影響產(chǎn)品硫酸銨的質(zhì)量,可以開展磷石膏除雜的研究;
2)通過研究磷石膏轉(zhuǎn)化的影響因素,確定了最佳工藝條件:原料液中與物質(zhì)的量比為1.5;反應(yīng)溫度50℃;反應(yīng)時間為90 min;液固比為5.0;攪拌器轉(zhuǎn)速為200 r/min以上。在此條件下,磷石膏制備硫酸銨轉(zhuǎn)化率大于90%。采用容量法測定產(chǎn)品純度,硫酸銨產(chǎn)品質(zhì)量分數(shù)為98.0%。
3)磷石膏長期堆存造成了環(huán)境污染,資源化利用十分必要。本研究研發(fā)的硫酸銨工業(yè)技術(shù),是解決磷石膏的有效途徑,即改善了環(huán)境,又實現(xiàn)了資源化利用。為磷石膏資源化利用開辟了新思路,為磷肥企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展提供了技術(shù)支持。
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