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        鹽酸法生產(chǎn)磷酸氫鈣過程中脫氟試驗研究

        2022-03-29 08:44:56王振杰劉洪波劉安榮
        濕法冶金 2022年2期
        關(guān)鍵詞:質(zhì)量

        彭 偉,王振杰,劉洪波,劉安榮

        (1.貴州省冶金化工研究所,貴州 貴陽 550016; 2.貴州省輕工業(yè)科學(xué)研究所,貴州 貴陽 550007)

        磷酸氫鈣是一種常見的輔助飼料添加劑,隨著養(yǎng)殖業(yè)的發(fā)展,需求量越來越大。常用的飼料級磷酸氫鈣主要采用濕法生產(chǎn)。按所用無機酸種類分為硫酸法、硝酸法和鹽酸法[1-4]。其中,在用鹽酸溶解磷礦石生產(chǎn)磷酸氫鈣時,礦石中的雜質(zhì)氟也會進(jìn)入溶液。雜質(zhì)氟的存在對產(chǎn)品質(zhì)量有較大影響,因此,需要去除氟。常見的除氟方法主要有溶劑化學(xué)沉淀法、萃取法、濃縮法和溶劑浮選法[5-7]。萃取法和濃縮法脫氟效果較好,但在脫氟過程中均需添加除氟劑,生產(chǎn)成本較大;化學(xué)沉淀法簡單易行,便于操作,但脫氟過程中除生成氟硅酸鈉外,其余HCl、H2SO4等有部分留在磷酸中,使得磷酸中的雜質(zhì)較多。

        試驗研究了以鹽酸法溶解磷礦石生產(chǎn)飼料級磷酸氫鈣,并在浸出階段不添加除氟劑,而是通過控制工藝參數(shù)脫除雜質(zhì)氟[8-13],以期為飼料級磷酸氫鈣的工業(yè)生產(chǎn)提供簡單可行的方法。

        1 試驗部分

        1.1 試驗原料與設(shè)備

        試驗原料:磷礦石粉,取自貴陽中化開磷集團,P2O5品位25.78%,氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)4.69%,主要脈石礦物有方解石、白云石、赤鐵礦等;稀鹽酸(質(zhì)量分?jǐn)?shù)15%)、氯化鈉、活性二氧化硅,均為分析純;石灰乳,CaO質(zhì)量濃度100 g/L,自制。

        試驗設(shè)備:HH-4型恒溫水浴鍋,JJ-1型數(shù)顯調(diào)試攪拌器,PHS-C型精密酸度計,電子天平,溫度計,燒杯。

        1.2 試驗原理與方法

        用鹽酸溶解磷礦石(主要成分氟磷灰石Ca5F(PO4)3)時,生成磷酸、氯化鈣和氟化氫;同時,礦石中的鈣、鎂、硅、鐵、鋁雜質(zhì)被溶解進(jìn)入溶液。主要反應(yīng)式為:

        (1)

        (2)

        (3)

        (4)

        (5)

        式(1)中的HF,一部分以氣態(tài)形式排出,剩下未能排出的,部分與礦石中少量的SiO2反應(yīng)生成SiF4,以氣態(tài)排出。當(dāng)少量SiO2未能消耗完磷酸中的HF生成SiF4時,剩余的HF與SiF4反應(yīng)生成H2SiF6,使氟仍然留在溶液中。反應(yīng)式為:

        (6)

        (7)

        此時,向溶液中加入活性CaO、SiO2和NaCl,可使H2SiF6轉(zhuǎn)換為SiF4氣體和Na2SiF6沉淀,從而實現(xiàn)脫氟并使磷酸凈化。反應(yīng)式為:

        (8)

        (9)

        脫氟凈化后的磷酸加入石灰乳中和最終得到磷酸氫鈣,反應(yīng)式為:

        (10)

        取50 g粒度為-74 μm的磷礦石粉于燒杯中,加入一定體積稀鹽酸及活性CaO(調(diào)pH在0.8~1.0),并放入恒溫水浴鍋中,調(diào)節(jié)水浴溫度,開始攪拌;反應(yīng)一段時間待溶解反應(yīng)充分完成后再向溶液中依次加入活性二氧化硅和氯化鈉,反應(yīng)后靜置2 h,固液分離,濾液即為凈化后的磷酸。將石灰乳加入所得磷酸中進(jìn)行中和(調(diào)節(jié)pH為5.0~6.5),過濾,所得固體為磷酸氫鈣,洗滌、烘干后,分析產(chǎn)品質(zhì)量分?jǐn)?shù),計算磷回收率。

        2 試驗結(jié)果與討論

        2.1 攪拌速度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        反應(yīng)溫度55 ℃,稀鹽酸用量3.0 L,CaO用量0.5 g,反應(yīng)時間3 h,SiO2加入量2.0 g,NaCl用量4 g,攪拌速度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖1所示。

        圖1 攪拌速度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        由圖1看出:隨攪拌速度加快,P2O5溶出率先升高后降低;攪拌速度為140 r/min時,P2O5溶出率達(dá)最大,為93.47%;繼續(xù)增大攪拌速度,溶出率反而降低;磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨攪拌速度加快先降低后升高。隨攪拌速度加快,溶液混合更均勻;但攪拌過快,溶液中各離子的高速運動會使離子間接觸概率降低,影響化學(xué)反應(yīng)發(fā)生。綜合考慮,確定適宜攪拌速度為140 r/min。

        2.2 反應(yīng)溫度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        攪拌速度140 r/min,稀鹽酸用量3.0 L,CaO用量0.5 g,反應(yīng)時間3 h,SiO2加入量2.0 g,NaCl用量4 g,反應(yīng)溫度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖2所示。

        圖2 反應(yīng)溫度對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        由圖2看出:隨反應(yīng)溫度升高,P2O5溶出率升高;溫度為55 ℃時,P2O5溶出率達(dá)最大,為93.62%;溫度繼續(xù)升高,P2O5溶出率反而降低;磷酸氫鈣中的氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨溫度升高先升高后降低再升高。根據(jù)阿倫尼烏斯方程

        k=Aexp[-Ea/(RT)],

        式中:k—反應(yīng)速率常數(shù),min-1;R—摩爾氣體常數(shù),8.314 J/(mol·K);T—熱力學(xué)溫度,K;Ea—表觀活化能,J/mol;A—指前因子,min-1。隨溫度升高,反應(yīng)速率加快,溶液中氟濃度增大,產(chǎn)品磷酸氫鈣中的氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高;隨溫度繼續(xù)升高,氟以HF氣體形式逸出,溶液中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低;但繼續(xù)升高溫度,反應(yīng)速率加快,生成的HF氣體更多,且無法及時排出導(dǎo)致溶液中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高,產(chǎn)品中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)也隨之升高。綜合考慮,確定適宜反應(yīng)溫度為55 ℃。

        2.3 稀鹽酸用量對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        攪拌速度140 r/min,反應(yīng)溫度55 ℃,CaO用量0.5 g,反應(yīng)時間3 h,SiO2加入量2.0 g,NaCl用量4 g,稀鹽酸用量對磷溶出率與磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖3所示。

        圖3 稀鹽酸用量對磷溶出率與磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        由圖3看出:隨稀鹽酸用量加大,P2O5溶出率先升高;稀鹽酸用量為3.0 L時,P2O5溶出率趨于穩(wěn)定,變化不大;磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后升高。稀鹽酸與P2O5反應(yīng)生成H3PO4,隨稀鹽酸用量增加,P2O5溶出率升高。而氟與稀鹽酸反應(yīng)生成的HF氣體逸出,使產(chǎn)品磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低,但反應(yīng)受體系酸度影響,酸度增大反而抑制HF生成,使得體系中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。綜合考慮,對于50 g磷礦石粉,確定適宜稀鹽酸用量為3.0 L,此時P2O5溶出率為95.47%,F(xiàn)溶出率為54.32%。

        2.4 反應(yīng)時間對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        攪拌速度140 r/min,反應(yīng)溫度55 ℃,稀鹽酸用量3.0 L,CaO用量0.5 g,SiO2加入量2.0 g,NaCl用量4 g,反應(yīng)時間對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖4所示。可以看出:隨反應(yīng)進(jìn)行到3 h,P2O5溶出率先升高后趨于穩(wěn)定,磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)先降低后趨于穩(wěn)定。P2O5與鹽酸反應(yīng)生成磷酸,隨反應(yīng)進(jìn)行,體系酸度增大,化學(xué)反應(yīng)趨于平衡,P2O5溶出速度變慢;體系中的氟轉(zhuǎn)變?yōu)镾iF4氣體和Na2SiF6沉淀,被排出,含量降低。綜合考慮,確定適宜反應(yīng)時間為3 h。

        圖4 反應(yīng)時間對磷溶出率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        2.5 SiO2加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        攪拌速度140 r/min,反應(yīng)溫度55 ℃,稀鹽酸用量3.0 L,CaO用量0.5 g,反應(yīng)時間3 h,NaCl用量4 g,SiO2加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖5所示。

        圖5 SiO2加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        由圖5看出:隨SiO2加入量增加,氟去除率升高;SiO2加入量為2.0 g時,氟去除率達(dá)96.41%,后趨于穩(wěn)定;繼續(xù)增加SiO2加入量,氟去除率變化不大。SiO2與HF反應(yīng)生成H2SiF6,NaCl與H2SiF6反應(yīng)生成NaSiF6沉淀,從而實現(xiàn)從溶液中除去氟。綜合考慮,確定SiO2適宜加入量為2.0 g。

        2.6 NaCl加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        NaCl在脫氟過程中的作用是與H2SiF6反應(yīng)生成NaSiF6沉淀從而脫除氟。攪拌速度140 r/min,反應(yīng)溫度55 ℃,稀鹽酸用量3.0 L,CaO用量0.5 g,反應(yīng)時間3 h,SiO2加入量2.0 g,NaCl加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響試驗結(jié)果如圖6所示。

        圖6 NaCl加入量對氟去除率和磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)的影響

        由圖6看出:隨NaCl加入量增加,氟去除率升高;NaCl加入量為4 g時,溶液中氟去除率達(dá)96.75%,后趨于穩(wěn)定,變化不大。綜合考慮,確定NaCl加入量以4 g為宜。

        2.7 磷酸氫鈣質(zhì)量分析

        在試驗確定的適宜條件下制得磷酸氫鈣。試驗結(jié)果表明,磷回收率為94.86%,氟去除率為96.75%,所得磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.132%,質(zhì)量符合HG 2636—2000標(biāo)準(zhǔn)要求。

        3 結(jié)論

        以鹽酸法生產(chǎn)磷酸氫鈣,生產(chǎn)過程中無須添加脫氟劑,通過控制試驗參數(shù)脫除產(chǎn)品中的氟,適宜條件下,所得磷酸氫鈣中氟質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.132%,質(zhì)量符合HG 2636—2000標(biāo)準(zhǔn)要求,可作為飼料添加劑使用。

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