隋巖峰 ,劉松林 ,秦 紅
(1.中低品位磷礦及其共伴生資源高效利用國家重點實驗室,貴州貴陽550002;2.甕福技術研究院)
含氟硅渣是氟硅酸法生產無水氟化氫工藝過程中產生的廢渣,是一種新型特殊的固體廢棄物[1]。含氟硅渣中水質量分數(shù)約為55%,二氧化硅的質量分數(shù)約為35%,氟的質量分數(shù)約為10%,直接排入渣場會導致環(huán)境污染[2-4]。目前,含氟硅渣主要用來做硅微粉,以及干燥處理后作為濕法磷酸的脫氟劑,但含量過高的雜質,致使這些產品的利用效果都不理想,同時,硅渣中的氟、硅資源也無法高效回收利用[5-6]。氟硅酸銨可用作釀造工業(yè)的消毒劑、玻璃蝕刻劑、紡織品的防蛀劑、木材防腐劑,也用于輕金屬澆鑄、電鍍,生產納米二氧化硅的重要原料,用途非常廣泛[7-11]。本研究目的在于尋求一種含氟硅渣合理處置,實現(xiàn)氟、硅資源高效回收的方法[12]。本研究在實驗室內完成,以氟化銨溶液和含氟硅渣為原料制備氟硅酸銨產品,研究反應溫度、反應時間、氟化銨溶液濃度、物料配比等工藝條件對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響。
以氟化銨溶液和含氟硅渣為原料,制備氟硅酸銨的反應方程式如下:
反應得到的氟硅酸銨溶液經濃縮、過濾、干燥處理得到氟硅酸銨產品;反應過程中產生的氨氣經稀磷酸溶液吸收,得到磷酸銨溶液。實驗研究重點是通過優(yōu)化反應條件,提高氟硅酸銨的收率和氟化銨的轉化率。
試劑:氫氧化鈉(AR)、氟化銨(AR)、氟化鈉(PT)、檸檬酸鈉(AR)、檸檬酸(AR)、甲基紅(AR)等。
儀器:循環(huán)水式真空泵(SHB-Ⅲ型)、氟離子計(PHS-4C+型)、電動攪拌器(HD2004W 型)、電子恒溫水浴鍋(DZKW-4型)、電熱恒溫鼓風干燥箱(GZX-9070MBE 型)、磁力攪拌器(S10-3 型)等。
稱取一定量的氟化銨溶液,倒入1 000 mL的聚四氟乙烯三口瓶;開啟攪拌系統(tǒng)、水浴加熱系統(tǒng)和氨氣吸收系統(tǒng),待攪拌速度和反應溫度達到反應要求時,向氟化銨溶液中緩慢加入含氟二氧化硅,使氟化銨和二氧化硅反應生成氟硅酸銨,稀磷酸吸收反應逸出的氨氣;反應結束后,對反應產物進行固液分離,分離得到未反應的二氧化硅和氟硅酸銨溶液,對氟硅酸銨溶液濃縮得到氟硅酸銨產品。
1)氟化氨含量分析。執(zhí)行GB 28653—2012《工業(yè)氟化銨》中氟化銨含量的測定標準。稱取0.5 g樣品,精確至0.000 1 g,置于塑料燒杯中,加入20 mL水溶解,加入 40 mL 甲醛(1+1)溶液,搖勻,放置 30 min。加2滴酚酞指示液(10 g/L),用氫氧化鈉標準溶液[c(NaOH)=0.5 mol/L]滴定至溶液呈粉紅色,并保持5 min,同時做空白實驗。
2)二氧化硅含量分析。稱取定量的樣品,用適量的蒸餾水潤濕后,加入過量的氫氧化鈉溶液,并加熱使其全部轉化成硅酸鈉(Na2O·mSiO2)。用甲基紅作指示劑,用鹽酸中和到中性后,加入過量的氟化鈉與硅酸反應,再用過量鹽酸標準溶液中和生成的氫氧化鈉,最后用氫氧化鈉溶液滴定溶液中過量酸。
3)氟含量分析。氟離子電極的電位與溶液中的氟離子活度符合能斯特方程式,在1×10-6mol/L氟離子溶液中呈很好的線性關系。先在試樣溶液(濃度為cx)中測得電動勢E1,然后加入濃度為cs、體積為Vs的標準溶液(Vs比試樣溶液Vx約小100倍),測得電動勢E2。因為加入的體積Vs很小,不會影響溶液的總離子活度。通過電位值的變化可測得試樣溶液氟離子濃度。
氟化銨溶解含氟硅渣制備氟硅酸銨的反應為吸熱反應,需要在加熱條件下進行。反應溫度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率有重要影響。確定反應時間為60 min、氟化銨溶液的質量分數(shù)為20%、物料配比(氟化銨與二氧化硅的物質的量比,下同)為6∶1、攪拌速度為200 r/min,改變反應體系的溫度,考察不同反應溫度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響,實驗結果見表1。由表1可以看出,反應溫度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率影響很大。究其原因:氟化銨溶解含氟硅渣的反應為吸熱反應,反應必須在加熱條件下進行,溫度越高,越有利于反應的進行。綜合考慮氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率,確定氟化銨溶液含氟硅渣的反應溫度為93℃以上。
表1 反應溫度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響
較長的反應時間有利于反應的徹底進行,但降低了生產效率。確定反應溫度為93℃、氟化銨溶液的質量分數(shù)為20%、物料配比為6∶1、攪拌速度為200 r/min,改變反應時間,考察不同反應時間對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響,實驗結果見表2。由表2可以看出,隨著反應時間由30 min提高到60 min,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率也跟著提高,反應60 min以后,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率變化不大。氟化銨溶解硅渣的反應是一個緩慢反應,需要有時間保障,但隨著反應達到平衡,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率不再提升。綜合考慮產品的收率和生產效率,確定氟化銨溶液與含氟硅渣的反應時間為60 min。
表2 反應時間對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響
理論上,氟化銨與二氧化硅完全反應的物料配比為6∶1,適當增加二氧化硅的用量,可以提高氟化銨的利用率。確定反應溫度為93℃、反應時間為60min、氟化銨溶液的質量分數(shù)為20%、攪拌速度為200r/min,改變物料配比,考察物料配比對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響,實驗結果見表3。由表3可以看出,隨著二氧化硅用量的提高,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率也跟著上升。為保證氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率都在90%以上,選擇物料配比為6∶1.1。
表3 物料配比對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響
適當?shù)娜芤簼舛饶鼙WC氟化銨和含氟硅渣的充分接觸,使反應充分進行,同時提高生產效率。確定反應溫度為93℃、反應時間為60 min、物料配比為6∶1.1、攪拌速度為 200 r/min,氟化銨總量不變,改變氟化銨溶液濃度,考察溶液濃度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響,實驗結果見表4。由表4可以看出:不同的溶液濃度,對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率略有影響。氟化銨溶液質量分數(shù)由15%提高至20%,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率提高到90%以上;氟化銨溶液質量分數(shù)高于30%,氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率反而下降。溶液濃度提高,加大了反應物料的接觸機會,從而提高了反應效率;濃度過高,液相對固相的包裹降低,反應效率也隨之降低?;诜杷徜@收率和氟化銨轉化率的考量,氟化銨溶液與含氟硅渣反應中,氟化銨溶液的質量分數(shù)應控制在20%~30%。
表4 溶液濃度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響
確定反應溫度為93℃、反應時間為60 min、氟化銨溶液的質量分數(shù)為20%、物料配比為6∶1.1,考察攪拌速度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響,實驗結果見表5。由表5可以看出:氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率受攪拌速度的影響不大。究其原因是:隨著攪拌速度的提高,增大了氟化銨和含氟硅渣的接觸機會,但氟化銨溶液與含氟硅渣的反應是一個緩慢的反應過程,反應物料溶解過程需要時間作為保障,所以反應體系的攪拌速度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率影響不大。為保障反應體系平穩(wěn)運行,攪拌速度控制在200~300 r/min即可。
表5 攪拌速度對氟硅酸銨收率和氟化銨轉化率的影響
氟化銨溶解含氟硅渣生產氟硅酸銨,可以有效地回收含氟硅渣中的氟、硅資源,減少固體廢棄物的排放,實驗的研究結論為硅渣的綜合利用提供基礎數(shù)據,特別適用于以氟硅酸法生產無水氟化氫企業(yè)。以氟化銨和含氟硅渣為原料制備氟硅酸銨,實驗的相對優(yōu)化條件為:反應溫度為93℃、反應時間為60 min、氟化銨溶液質量分數(shù)為20%~30%、物料配比為 6∶1.1、反應體系攪拌速度為 200~300 r/min。 在此條件下,氟硅酸銨的收率和氟化銨的轉化率都可控制在90%以上。