工業廢鹽酸的提純工藝研究

榮俊鋒，李寧寧，何媛，張曄，李伏虎，史同上，談德偉，陳金缽，張創

(安徽理工大學 化學工程學院，安徽 淮南 232001)

鹽酸作為常用化學試劑被廣泛應用于醫藥、食品[1]、化工等行業，鹽酸經過管道輸送和儲存過程中往往會引入雜質Fe3+，造成所制得的鹽酸泛黃，影響產品質量。但在使用中對酸中金屬離子含量要求很高，成品鹽酸一般要求Fe3+的含量<0.5 mg/L[2]。目前，主要通過蒸餾法[3]和離子交換法[4-8]獲得較純凈的成品鹽酸。但蒸餾法工藝投資大、高耗能、對環境污染嚴重。離子交換法具有投資少(離子交換樹脂易洗脫再生)、工藝流程簡單、操作方便、處理能力強、環境友好等特點，因此是目前精制鹽酸的重要方法。本文采用“717”強堿性陰離子交換樹脂(氯型)處理工業鹽酸(主要去除酸中金屬離子)。試驗證明該工藝流程簡單、操作方便、處理能力強、提純效果好。在工業鹽酸提純的眾多方法中占有重要地位。

1 離子交換法基本原理[9-11]

1.1 除金屬離子機理

Fe3+、Cu2+、Zn2+、Co2+、Mn2+等離子在鹽酸中以配合陰離子形式存在，這種配合陰離子很容易被樹脂吸附交換，以Fe3+為例，反應式如下：

RCl+[FeCl4]-→RFeCl4+Cl-或

1.2 再生機理

氯型陰離子交換樹脂吸附飽和后，可用去離子水洗脫、再生。

2 實驗部分

2.1 試劑與儀器

鹽酸(36%～38%)、201×7(717)強堿性陰離子交換樹脂(Cl-型)、95%乙醇、氫氧化鈉、三氯化鐵均為分析純；工業鹽酸(安徽蚌埠某化工企業原料)，主要成分見表1。

表1 工業鹽酸主要成分Table 1 Main components of industrial hydrochloric acid

722型光柵分光光度計；離子交換柱(與安徽蚌埠某化工企業聯合研制，透明有機玻璃材質，長徑比H/D=5，樹脂填裝系數0.8，配套的管道、閥門等附屬零件)。

2.2 工藝流程

陰離子交換法提純工業鹽酸工藝流程圖見圖1。

圖1 工業鹽酸除鐵工藝流程圖Fig.1 Process flow diagram of industrial hydrochloric acid iron removal

2.2.1 樹脂預處理 樹脂先經過篩分去除細小粉末和不規則顆粒。接著水洗：用去離子水漂洗2～3次，浸泡24 h，中間換2次水，使樹脂充分溶脹，并除去無機物和機械性雜質。再接著醇洗：瀝去去離子水，用95%乙醇漂洗樹脂2～3次，浸泡24 h，中間換2次水，再用去離子水漂洗至無醇味，除去樹脂中的有機物。預處理完成[12]。

2.2.2 裝柱 如圖1，將經過預處理的(717)強堿性陰離子交換樹脂裝入交換柱中，接著泵入去離子水(閥門2、3開啟，其余關閉)，充填至規定高度，充填時注意避免氣泡夾帶。通過閥門6調整液面高度，使其高于樹脂層5 cm。

2.2.3 交換除鐵 按圖1所示工藝流程圖，將工業鹽酸由儲罐泵入離子交換柱中(閥門1、4、5開啟，其余關閉)，調整閥門1開啟量，控制流速 20 L/min。開始出酸時，酸濃度先低后高，交換過程中，實時檢測酸濃度和Fe3+的含量，達規定要求時，從成品酸閥門排出，即為成品酸。未達要求的稀酸通過循環泵打入工業鹽酸儲罐，再重新回到離子交換柱進行交換。當檢測Fe3+超標時，應停止交換，對樹脂進行再生處理。

2.2.4 洗脫再生 按圖1所示工藝流程圖，用去離子水采用順流方式對樹脂進行淋洗(閥門2、3、6開啟，其余關閉)，流速20 L/min。排出液為含FeCl3的廢液，經后續處理可回收FeCl3。淋洗時，不斷檢測流出液中鐵含量，至無鐵時淋洗結束，樹脂再生完成[13]。

樣品溶液與樹脂之間的交換過程是一個動態過程，按樹脂預處理→裝柱→交換除鐵→洗脫再生這個步驟進行。

本實驗采用1，10-菲啰啉分光光度法(GB/T 3049—2006)測定鹽酸中鐵含量，采用稀釋倍數法(GB 11903—89)測定鹽酸色度。鐵脫除率(%)定義為：鐵脫除率=(C0-Ct)/C0×100%，其中C0酸初始鐵含量，本試驗C0=5 400 mg/L，Ct為處理后酸的鐵含量。

3 結果與討論

3.1 酸濃度的影響

按圖1所示工藝流程圖，工業鹽酸流速控制在20 L/min，分別調節酸濃度為10%，20%，25%，30%，36%，38%，考察不同酸濃度對除鐵效果的影響，結果見圖2。

圖2 酸濃度對鐵脫除率的影響Fig.2 Effect of acid concentration on iron removal

由圖2可知，隨著酸濃度的不斷增加，鐵脫除率也在不斷增大，當酸濃度為30%時，除鐵效果最好，鐵脫除率達94.8%。酸濃度在30%以上時，除鐵效果反而有所下降，這是因為離子交換過程是可逆反應，Cl-濃度的增加，不利于交換反應的正向進行。

3.2 流速的影響

按圖1所示工藝流程圖，工業鹽酸酸濃度取30%，調整流速分別為5，10，15，20，25，30 L/min，考察不同流速對除鐵效果的影響，結果見圖3。

由圖3可知，隨著流速的不斷增加，鐵脫除率也在不斷增大，當流速為20 L/min時，除鐵效果最好，鐵脫除率達94.8%。流速>20 L/min，鐵脫除率趨于平緩，除鐵效果不是最好。這是因為流速過快，不利于離子交換的充分進行。

圖3 流速對鐵脫除率的影響Fig.3 Effect of flow rate on iron removal

3.3 洗脫方式的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調整取20 L/min，考察不同洗脫方式對除鐵效果的影響，結果見表2。

表2 洗脫方式對鐵脫除率的影響Table 2 Effect of elution mode on iron removal

由表2可知，酸洗和水洗兼用效果優于單獨酸洗脫或水洗脫。

3.4 再生方式的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調整取20 L/min，考察不同再生方式對除鐵效果的影響，結果見表3。

表3 再生方式對鐵脫除率的影響Table 3 Effect of regenerative way on iron removal

由表3可知，交換樹脂的再生用水最好是去離子水，其次蒸餾水、自來水。

3.5 再生用去離子水pH值的影響

按圖1所示工藝流程圖，酸濃度取30%，調整取20 L/min，考察不同再生用去離子水pH值對除鐵效果的影響，結果見表4。

表4 再生用水pH值對鐵脫除率的影響Table 4 Effect of renewable water pH on iron removal

由表4可知，再生用去離子水pH為 4時，效果最優，用pH值4的去離子水再生樹脂可以明顯縮短再生時間。

試驗中可根據樹脂處理量和樹脂顏色變化來判斷交換終點。樹脂處理量為樹脂重量的400倍。樹脂顏色由黃色逐漸變為深褐色；樹脂床3/4或3/5高度呈深褐色且底部出現淡黃色。

4 結論

“717”強堿性陰離子交換樹脂去除工業鹽酸中Fe3+的試驗研究結果表明，當所處理酸濃度為30%，流速控制在20 L/min時，除鐵效率最高，最高鐵脫除率為94.8%。先酸洗脫，再用pH為4的去離子水洗脫樹脂，其再生效果最好。該工藝方法為工業鹽酸的提純提供了一種新的方法。