甲基異丁基酮凈化濕法磷酸的研究*

張志強，張彩棉，孫瀅博，湯 強

（青海大學化工學院，青海西寧 810016）

磷酸是一種重要的化工原料和中間產品，除了用于生產磷酸一銨、磷酸二銨和重過磷酸鈣等化肥外，還可以生產各種磷酸鹽產品，并在石油、冶金、化工、電子、醫藥、食品等行業廣泛應用。磷酸生產分為熱法和濕法兩類，熱法磷酸能耗高、污染嚴重，因此凈化濕法磷酸取代熱法磷酸生產各種磷制品是世界磷化工發展的方向［1］。濕法磷酸因含雜質較多，凈化到工業級和食品級磷酸有較大難度。國外對濕法磷酸凈化技術做了許多基礎研究，實現工業化生產的國家不多，且都是采用溶劑萃取法［2-4］。國內外研究濕法磷酸凈化技術主要使用酮類、醇類、二丁基亞砜、磷酸三丁酯為萃取劑［5-10］。甲基異丁基酮（MIBK）具有水溶率較低、萃取能力較強、金屬選擇性好等優點，國外有學者對MIBK萃取效果做了研究［11-12］，國內未見報道。

1 實驗部分

1.1 實驗材料與儀器

材料：濕法磷酸由青海云天化國際化肥有限公司提供，其主要組成見表1。MIBK、氫氧化鈉、氫氧化鉀、檸檬酸、鉬酸鈉、二異丙醚、濃硫酸、檸檬酸鈉、喹啉、硝酸、丙酮、鹽酸、磷酸、無水乙醇、乙酸鈉、硫酸、氯化鋇、煤油均為分析純。

表1 濕法磷酸的主要組成 %

儀器：電子天平（PA2204B）；精密酸度計（PHS-3C）；實驗室攪拌器（R30）；電熱恒溫干燥箱（DGG-9053AD）；恒溫磁力攪拌器（90-2）；F-選擇性電極（PF-1 型）；循環水式多用真空泵（SHB-Ⅲ）；等離子體發射光譜儀（ICAP6500）。

1.2 實驗方法及流程

將200 mL濕法磷酸加入2000 mL三口燒瓶中，然后加入經計量的萃取劑，經過一定時間的萃取后，在室溫下靜置分層。萃取相用去離子水反萃，得到凈化磷酸。其中H3PO4采用磷鉬酸喹啉重量法進行分析，F-采用F-選擇性電極測定，其他離子或元素用ICAP分析含量。實驗流程示意圖見圖1。

圖1 實驗流程示意圖

2 實驗結果與討論

溶劑萃取法凈化濕法磷酸的關鍵指標是反映溶劑對磷酸的萃取能力的P2O5分配系數和對主要雜質的排斥性的選擇性系數。分配系數通過式（1）計算，選擇性系數通過式（2）計算。

2.1 相比對萃取的影響

當萃取劑為甲基異丁基酮，萃取溫度為室溫，萃取時間為10 min，攪拌轉速為200 r/min時，研究相比（有機相與水相的體積比）對P2O5的分配系數、F-和的選擇性的影響，結果見圖2和圖3。

圖2 相比對P2O5分配系數的影響

圖3 相比對F-和選擇性系數的影響

結果表明，隨著相比的增加P2O5的分配系數逐步增加。但相比超過4∶1后分配系數變化不明顯。這說明相比達到4∶1時，有機相已能將磷酸較完全地從水相中萃取出來，再增加相比只會造成溶劑的浪費。甲基異丁基酮對有很好的選擇性，且相比對其選擇性無明顯影響。增加相比萃取體系對F-的選擇性有所下降，說明相比增加會使F-向萃取相轉移，選擇性降低，因此相比不宜過大。綜合實驗結果，相比選擇為 4∶1。

2.2 萃取時間對萃取的影響

萃取溫度為室溫，相比為4∶1，轉速為200 r/min時，萃取時間對P2O5的分配系數、F-和的選擇性的影響見圖4和圖5。

圖4 萃取時間對P2O5分配系數的影響

圖5 萃取時間對F-和選擇性系數的影響

結果表明，萃取時間對P2O5的分配系數無明顯影響，說明該萃取體系對磷酸的傳質速率較快，是一個快速萃取過程，因此萃取時間過長會降低設備的處理能力。萃取時間從5 min增加到10 min時，F-與的選擇性有所下降，說明F-與的傳質速率要慢于磷酸，增加萃取時間會導致萃取相中F-與的含量增加。因此，萃取時間選為10 min。

2.3 攪拌轉速對萃取效果的影響

萃取溫度為室溫，相比為 4∶1，萃取時間為10 min時，攪拌轉速對P2O5的分配系數、F-和的選擇性的影響見圖6和圖7。結果表明，攪拌轉速低于250 r/min對P2O5的分配系數無明顯影響，當達到300 r/min時P2O5的分配系數有所增加，但攪拌轉速過高會增加能耗，且放大困難。攪拌轉速增加，F-和的選擇性增加，但攪拌轉速大于150 r/min后，攪拌轉速對F-與的選擇性影響不大。因此，攪拌轉速選為200 r/min。

圖6 攪拌轉速對P2O5分配系數的影響

圖7 攪拌轉速對F-和選擇性系數的影響

2.4 反萃劑加入量的確定

反萃劑加入量大有利于提高P2O5收率，可增加萃取劑循環使用的次數，但會降低凈化酸的濃度，增加為達到產品所需濃度而進行蒸發濃縮的成本。反萃劑加入量對P2O5收率和凈化酸中P2O5濃度的影響見圖8。實驗結果表明，反萃劑加入量是萃取后萃取劑體積的5%～15%時，隨著反萃劑加入量的增加P2O5收率逐漸增大，但凈化磷酸中P2O5的含量緩慢下降。當反萃劑加入量超過15%時，凈化磷酸中P2O5的含量迅速下降，并在反萃劑加入量超過20%后趨于穩定。因此，反萃劑加入量選擇15%。

圖8 反萃劑加入量對P2O5收率和凈化酸中P2O5濃度的影響

3 結論

通過對實驗結果的分析可知，相比對P2O5分配系數影響明顯，萃取時間、攪拌轉速對P2O5分配系數影響并不明顯，MIBK對F-和均有良好的選擇性。相比為4∶1、萃取時間為10 min、攪拌轉速為200 r/min、反萃劑加入量為萃取后萃取劑體積的15%時，P2O5分配系數較高，對F-有良好的選擇性，凈化磷酸的P2O5收率和濃度適中。

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