離子交換法除去濕法磷酸中鐵離子的研究

魏世轅 熊祥祖 王 威 張林鋒 李志保 李文歆

（武漢工程大學磷化工工程中心，湖北 武漢 430073）

0 引言

磷酸的生產(chǎn)主要分為熱法磷酸和濕法磷酸二種，另外還有窯法磷酸［1］。窯法磷酸因工藝不成熟，技術(shù)難度大等原因，尚未有工業(yè)化報道。熱法工藝能夠制取較高純度的磷酸，但其工藝電耗大、成本高、并產(chǎn)生大量粉塵和有毒氣體。近年來，一些發(fā)展中國家的經(jīng)濟不斷發(fā)展，對能源的需求增長迅速，但國際能源供應(yīng)不足，導致熱法磷酸的價格一路走高，使其繼續(xù)發(fā)展受到了制約。因此，低能耗低成本的濕法磷酸凈化技術(shù)又被重新看好。濕法磷酸原料和工藝特點致使其成品中成分復雜、雜質(zhì)含量相對較高，主要含鈣、鋁、鎂、鐵等［2］。為獲得用于制取精細磷酸鹽的濕法磷酸，必須進行凈化和濃縮。濕法磷酸凈化幾十年來人們展開了大量的研究，出現(xiàn)了很多方法，主要有化學沉淀法、重結(jié)晶法、電滲析、離子交換法、溶劑萃取法、乳化液膜法［3，4］等。

鐵離子是濕法磷酸中的雜質(zhì)之一。濕法磷酸中所含的鐵，會增大磷酸溶液的粘度、降低酸的質(zhì)量；在其濃縮時，會生成不溶性淤渣，部分沉積在設(shè)備壁上形成結(jié)垢，部分懸浮在酸中，會沉積在后續(xù)加工的儲存設(shè)備甚至管道中，影響生產(chǎn)的正常運行，還造成五氧化二磷的損失［5］。因此去除鐵離子是其生產(chǎn)過程中的一個重要研究內(nèi)容，上述方法在去除鐵離子方面，雖然有各自的特點，但由于經(jīng)濟或技術(shù)方面的原因都沒有實現(xiàn)工業(yè)化。

本文采用離子交換法凈化濕法磷酸中的鐵離子，考查了樹脂用量、溫度、時間等因素對鐵凈化率的影響。通過試驗得出：在攪拌速度為300r/min，溫度為30℃，樹脂和濕法磷酸的質(zhì)量比為1：1.5，時間為5min的條件下，效果較好。其中鐵的去除率達到72.25％。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

濕法磷酸由某化工集團有限公司提供，系二水法濕法磷酸，鐵的含量為0.1344％。

1.2 實驗主要原料及儀器

JK008均孔強酸性陽離子交換樹脂 安徽皖東化工有限公司；

電子天平 型號EL204梅特勒-拖利多儀器（上海）有限公司；

電子恒速攪拌器 型號GS12-B上海安亭電子儀器廠；

電子恒溫不銹鋼水浴鍋 型號HHS-4S余姚市上通溫控儀表廠；

電子恒溫不銹鋼水浴鍋 型號HHS-4S余姚市上通溫控儀表廠。

1.3 實驗方法

1.3.1 樹脂的處理

樹脂成品中，一般都夾雜著一些無機雜質(zhì)、未發(fā)生反應(yīng)的單體、樹脂結(jié)構(gòu)中的低分子聚合物、樹脂的分解產(chǎn)物等。這些物質(zhì)在使用時會逐漸溶解于溶液中。因此，在使用前需要對樹脂進行處理。首先用40℃左右的溫水沖洗，直至洗液無黃色呈透明狀，且pH值為中性。然后用4％NaOH浸泡8h，之后排去堿液，用溫蒸餾水沖洗至排出液接近中性，再用10％HCl浸泡24h，排出酸液，用蒸餾水沖洗至排出液接近中性為止［6］。最后將樹脂用抽濾機過濾，并用干的濾紙吸干樹脂表面的水分。

1.3.2 實驗步驟

實驗過程中每次均將150g待凈化的濕法磷酸加入500mL帶有攪拌裝置的錐形瓶中，然后加入上述已去除表面水分的樹脂，進行離子交換；不斷變換反應(yīng)條件，待反應(yīng)交換過程結(jié)束后，用真空泵抽慮，樹脂回收，所得濾液即為凈化后酸。再對其離子含量進行檢測分析。鐵含量的測定按GB/T1871.2-1995進行。

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 樹脂用量對鐵去除率的影響

在其他實驗條件不變時改變樹脂用量以考察其對鐵去除率的影響。實驗條件為：攪拌速度250r/min、溫度25℃、時間10min。圖1即為不同樹脂用量時鐵去除率。

由圖1可知，樹脂用量對鐵凈化率影響較大，且隨樹脂用量的增加，鐵凈化率呈上升趨勢。樹脂用量的增加雖然有利于提高鐵金屬離子凈化率，但也增加了后續(xù)樹脂回收工藝操作成本。因此，考慮到凈化效果、經(jīng)濟成本等多方面因素，對于150g原料磷酸來說，樹脂用量確定為100～110g為宜。

2.2 操作溫度對鐵去除率的影響

在其他實驗條件不變時改變溫度來考察其對鐵去除率的影響。實驗條件為：攪拌速度250r/min、時間15min。圖2即為不同反應(yīng)溫度下鐵的去除率。

由圖2可知，總的趨勢是鐵凈化率隨著溫度的升高而增大。當溫度低于30℃時，鐵凈化率隨溫度的升高有明顯地提高，這是因為溫度升高加快離子在樹脂內(nèi)擴散和膜擴散，且使溶液的黏度降低，促進離子交換的進行，因此鐵去除率明顯的增加；而當溫度高于30℃時，鐵凈化率隨溫度升高而提高的幅度不大。。但溫度過高時，使樹脂在中強酸的作用下熱分解加重，降低樹脂中活性基團的活性，不利于離子交換的進行。因此，溫度控制在25～30℃較佳，考慮到加熱成本因素，選擇30℃為宜。

2.3 攪拌速率對鐵去除率的影響

在其他實驗條件不變時改變攪拌速度來考察其對鐵去除率的影響。實驗條件為：溫度25℃、時間5min。圖4即為不同攪拌速度時鐵去除率。

由圖4可知，該樹脂在脫除該磷酸所含鐵金屬離子的過程中。不改變其他條件時，攪拌速度對鐵脫除效率影響較大且成正比關(guān)系。說明鐵脫除效率對攪拌速度比較敏感，表明受外擴散的影響較大。為了提高鐵的脫除效率而增大攪拌速度?？蓽p小樹脂邊界液膜的厚度，有利于傳質(zhì)過程。但當攪拌速度繼續(xù)增大到一定程度，液流的阻力增加，不利于傳質(zhì)。而且樹脂的互相磨擦，碰撞會加劇，并導致樹脂的破裂，造成樹脂的損失增大使成本上升。因此，綜合考慮攪拌速度取300r/min為宜。

2.4 交換時間對鐵去除率的影響

在其他實驗條件不變時改變反應(yīng)時間來考察其對鐵去除率的影響。實驗條件為：攪拌速度300r/min、溫度30℃。圖3即為不同反應(yīng)時間下鐵的去除率：

由圖3可知，隨著反吸附時間的延長鐵凈化率也隨之提高。當反應(yīng)時間由0min增加到5min，鐵凈化率增加明顯，迅速增大到72.25％；繼續(xù)攪拌，鐵凈化率增長非常緩慢，甚至還有下降的趨勢。分析原因，這是由于樹脂對鐵離子的吸附已經(jīng)達到了飽和，繼續(xù)反應(yīng)還可能使鐵離子重新回到磷酸中。因此考慮到反應(yīng)時間和成本的因素。選取反應(yīng)時間為5min適宜。

3 結(jié)語

本研究采用JK008均孔強酸性陽離子交換樹脂處理濕法磷酸中的鐵離子。在攪拌速度為300r/min，溫度為25℃，樹脂與濕法磷酸的質(zhì)量比約為1：1.5，反應(yīng)時間為5min時，除去濕法磷酸中的鐵離子能力達到了72.25％，且操作簡單、成本低、污染小，有一定的工業(yè)化應(yīng)用前景。

［1］朱玉平.窯法磷酸工藝的工業(yè)化前景［J］.磷肥與復肥，2008，23（5）：25-28.

［2］鄢笑非，周紅，潘志權(quán)，等.鹽酸濕法磷酸生產(chǎn)工藝優(yōu)化［J］.武漢工程大學學報，2008，30（3）：11-13.

［3］楊 帆，胡方峰，陳金芳.十二烷基苯磺酸乳化液膜法凈化濕法磷酸除鎂［J］.云南化工，2008，35（1）：24-29.

［4］高 楓，郭瓦力，王祝敏，等.乳狀液膜法去除濕法磷酸中Mg（Ⅱ）的研究［J］.當代化工，2005，34（2）：121-123.

［5］湯德元，胡 健，胡 宏.濕法磷酸中鐵的泡沫浮選凈化研究［J］.貴州工業(yè)大學學報（自然科學版）2004，33：63-66

［6］丁桓如，吳春華，龔云峰，等.工業(yè)用水處理工程［M］.北京：清華大學出版社，2005：229-230.