草酸反萃萃取劑中鐵離子的工藝研究

鄧強(qiáng)，楊林，王辛龍，莊海波，郭磊

(四川大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院 教育部磷資源綜合利用與清潔加工工程研究中心，四川 成都 610065)

以濕法磷酸生產(chǎn)高品質(zhì)磷酸及磷酸鹽產(chǎn)品，為滿(mǎn)足社會(huì)和大眾的需求，需降低濕法磷酸的雜質(zhì)含量[1-4]。在諸多凈化方法中，溶劑萃取法具有處理能力大、凈化程度高等優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用最為廣泛[5-6]。本課題組采用S-15萃取劑脫除濕法磷酸中的陽(yáng)離子，取得了良好的凈化效果[7]。但由于Fe3+與S-15、P204等有機(jī)磷系萃取劑會(huì)生成非常穩(wěn)定的萃合物[8-10]，萃取劑再生困難，不利于萃取劑的工業(yè)化應(yīng)用。Fe3+反萃方法主要有絡(luò)合法、還原法、沉淀法等[11-13]，本文采用絡(luò)合法脫除萃取劑中的Fe3+并以草酸為反萃劑，開(kāi)展了草酸反萃的工藝研究，獲取了適宜的工藝條件，探索了反萃液循環(huán)利用及副產(chǎn)高附加值草酸亞鐵的方法。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 試劑與儀器

S-15萃取劑,實(shí)驗(yàn)室自制；磷酸(H3PO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為85%)、硫酸(H2SO4質(zhì)量分?jǐn)?shù)為98%)、硝酸(HNO3質(zhì)量分?jǐn)?shù)為65%～67%)、磺化煤油、二水草酸、硫酸鐵均為分析純；超純水等。

ICP-OES電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；FA2004分析天平；DJ-2002電子天平；DF-101S恒溫磁力攪拌器；S212型恒速攪拌器；UPH-I-100L超純水儀等。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 負(fù)載鐵離子的S-15萃取劑的制備 配制質(zhì)量分?jǐn)?shù)含F(xiàn)e3+0.7%～1.0%，含P2O524.0%的熱法磷酸，將其與萃取劑混合于燒杯中，記錄各樣品的質(zhì)量，同時(shí)，將燒杯放入已經(jīng)達(dá)到設(shè)定溫度的水浴鍋中；開(kāi)啟恒速攪拌器，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速并開(kāi)始攪拌，計(jì)時(shí)；攪拌一定時(shí)間后關(guān)閉攪拌器，待其有明顯相界面時(shí)，將溶液倒入分液漏斗分相，對(duì)所得溶液分別進(jìn)行稱(chēng)重和記錄；用ICP-OES分析萃取前后水相的鐵離子濃度，并通過(guò)物料守恒計(jì)算萃取劑中鐵離子的含量；重復(fù)4次萃取，使萃取劑中鐵離子含量盡可能飽和，記錄4次萃取后萃取劑中的鐵離子含量。

萃取過(guò)程的效果通常用被萃取物質(zhì)的萃取率(E)表示，其定義為進(jìn)入有機(jī)相的被萃取物質(zhì)(簡(jiǎn)稱(chēng)溶質(zhì))與萃取前水相中溶質(zhì)質(zhì)量的比值，其定義式如式(1)：

(1)

萃取率(E)的計(jì)算式如式(2)：

(2)

式中m1、m2——萃取前后水相的質(zhì)量，g；

ω1、ω1——萃取前后水相中鐵離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

按照以上步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)即可使萃取劑負(fù)載一定濃度的Fe3+，該萃取劑可用于下一步實(shí)驗(yàn)。

1.2.2 反萃工藝條件的獲取 影響反萃效率的因素主要有攪拌速率、反萃溫度、反萃時(shí)間、相比A/O、草酸濃度和草酸中初始鐵離子含量。本實(shí)驗(yàn)采取控制變量法，逐一獲取鐵離子反萃率隨各影響因素改變的變化規(guī)律。

鐵離子的反萃率(η)計(jì)算公式如下：

(3)

式中m——萃取劑的質(zhì)量，g；

m1——反萃后草酸的質(zhì)量，g；

ω——萃取劑中鐵離子的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%；

ω1——反萃后草酸中的鐵離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%。

1.2.3 反萃液制備草酸亞鐵的方法 稱(chēng)取適量反萃液至燒杯中，用保鮮膜密封，記錄質(zhì)量并分析水相中的鐵離子濃度；用日光光照反萃液，計(jì)時(shí)，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，若溶液逐漸由草綠色變得澄清透明，且有黃色沉淀出現(xiàn)，當(dāng)沉淀量不再增加，停止光照和計(jì)時(shí)；過(guò)濾，稱(chēng)重濾液質(zhì)量，烘干沉淀，分析濾液中的鐵離子含量；將烘干后的沉淀進(jìn)行XRD分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 反萃劑的篩選

負(fù)載鐵離子的S-15萃取劑的反萃劑主要包括與無(wú)機(jī)鹽、強(qiáng)酸、能還原Fe3+和能與Fe3+發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)的物質(zhì)。根據(jù)反萃劑性質(zhì)的差異，F(xiàn)e3+的反萃率也有所不同。表1為溫度為333.15 K，相比A/O為3∶1，攪拌速率為300 r/min，萃取劑中鐵離子質(zhì)量含量為0.7%時(shí)鐵離子的單級(jí)反萃率。萃取劑體積為100 mL，為保證反應(yīng)物過(guò)量，表中氯化銨、鐵粉和亞硫酸氫鈉均為理論消耗量的1.5倍。

由表1可知，各反萃劑對(duì)S-15萃取劑中鐵離子的反萃率順序?yàn)?.1 mol/L草酸>6 mol/L鹽酸>1.1 mol/L硫酸加鐵粉>5.2 mol/L硫酸與氯化銨>亞硫酸氫鈉>5.2 mol/L硫酸。其中，5.2 mol/L硫酸、5.2 mol/L硫酸加氯化銨以及亞硫酸氫鈉對(duì)鐵離子的反萃率明顯低于其他3種反萃劑。高濃度鹽酸對(duì)Fe3+具有較高的反萃率，但會(huì)向體系中引入大量的Cl-，Cl-對(duì)于普通設(shè)備具有很強(qiáng)的腐蝕性，會(huì)增大設(shè)備投入；加入鐵粉進(jìn)行還原反萃，雖然具有較高的反萃率，但存在鐵粉顆粒隨著反應(yīng)進(jìn)行粒徑逐漸變小，容易被萃取劑夾帶，反應(yīng)結(jié)束后產(chǎn)生的鐵泥難以處理的問(wèn)題。在相近的實(shí)驗(yàn)條件下，相比于6 mol/L鹽酸，1.1 mol/L草酸的濃度更低，對(duì)于鐵離子的反萃效果更好。由于其他反萃劑存在的不足之處，本文選擇草酸作為反萃劑，探索草酸反萃鐵離子的可行性以及適宜的反萃工藝條件。

表1 各類(lèi)反萃劑對(duì)Fe3+的反萃效果Table 1 Stripping effects of various stripping agents on Fe3+

2.2 鐵離子反萃工藝條件的獲取

探究了不同操作參數(shù)對(duì)草酸反萃S-15萃取劑中鐵離子反萃效果的影響。通過(guò)向熱法磷酸中添加鐵離子模擬濕法磷酸，然后采用控制變量法獲得適宜的工藝條件。

2.2.1 反應(yīng)溫度對(duì)鐵離子反萃率的影響 溫度是反萃過(guò)程重要的影響因素之一。研究溫度對(duì)鐵離子反萃效果的影響，不僅能獲取鐵離子反萃率隨溫度的變化規(guī)律，也有助于降低能耗，縮減成本。S-15萃取劑中鐵離子反萃率隨溫度變化的規(guī)律見(jiàn)圖1。實(shí)驗(yàn)條件：草酸濃度60 g/L，相比A/O為1∶1，反萃時(shí)間15 min，攪拌速率300 r/min，萃取劑中鐵離子濃度為6.990 3 mg/g萃取劑，反萃溫度范圍為303.15～343.15 K。

圖1 溫度對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.1 Effect of temperature on stripping rate of iron ion

由圖1可知，溫度從303.15 K變化到343.15 K，草酸濃度為60 g/L時(shí)鐵離子反萃率分別為57.9%，58.1%，54.3%，53.7%，51.8%。隨著溫度的上升，鐵離子的反萃率逐漸下降，這表明反萃過(guò)程是一個(gè)放熱過(guò)程，但溫度對(duì)于鐵離子反萃率的影響并不大。通常升高溫度有利于加快反應(yīng)速率，縮短反萃過(guò)程達(dá)到平衡的時(shí)間，降低兩相的黏度，加快分相的速率，但過(guò)高的溫度會(huì)加快萃取劑和磺化煤油的揮發(fā)，增大原料的損耗；而較低的溫度會(huì)增大萃取劑和草酸的黏度，使分相變得困難。為了縮短分相時(shí)間，降低反萃過(guò)程時(shí)間成本，且保持較高的鐵離子反萃率，本文選擇333.15 K作為適宜的反萃溫度。

2.2.2 反萃時(shí)間對(duì)鐵離子反萃率的影響 平衡時(shí)間是評(píng)價(jià)萃取反應(yīng)快慢的標(biāo)準(zhǔn)。在兩相充分接觸的條件下，縮短反應(yīng)到達(dá)平衡的時(shí)間會(huì)增加工作效率，節(jié)省時(shí)間成本，對(duì)實(shí)際生產(chǎn)具有重要意義。圖2展示了鐵離子反萃率隨時(shí)間的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：草酸濃度60 g/L，相比A/O為1∶1，反萃溫度為333.15 K，攪拌速率300 r/min，萃取劑中鐵離子濃度為6.990 3 mg/g萃取劑，反萃時(shí)間為0～30 min。

由圖2可知，反應(yīng)進(jìn)行5 min之后，鐵離子的反萃率就已經(jīng)基本達(dá)到平衡穩(wěn)定的狀態(tài)，但保持略微增大的趨勢(shì)，到20 min時(shí)，鐵離子的反萃率達(dá)到最大，這表明草酸對(duì)萃取劑中的鐵離子有較強(qiáng)的反應(yīng)能力，這樣的快速反應(yīng)能有效地縮短反應(yīng)過(guò)程的停留時(shí)間。本文認(rèn)為5～15 min是比較適宜的反萃時(shí)間，為保證反萃過(guò)程兩相能充分接觸，盡量提高鐵離子的反萃率，選擇15 min開(kāi)展后續(xù)實(shí)驗(yàn)研究。

圖2 反萃時(shí)間對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.2 Effect of time on stripping rate of iron ion

2.2.3 攪拌速率對(duì)鐵離子反萃率的影響 改變攪拌速率是消除外擴(kuò)散的方法之一。當(dāng)兩種溶液互不相溶時(shí)，可以通過(guò)攪拌使其中一相以小液滴的形式分散在另一相中，從而增大兩相的傳質(zhì)面積，提高傳質(zhì)效率。圖3展示了萃取劑中鐵離子反萃率隨攪拌速率的變化規(guī)律。實(shí)驗(yàn)條件：草酸濃度60 g/L，相比A/O為1∶1，反萃溫度333.15 K，反萃時(shí)間15 min，萃取劑中鐵離子濃度為6.990 3 mg/g萃取劑，攪拌速率為50～600 r/min。

圖3 攪拌速率對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.3 Effect of stirring rate on stripping rate of iron ion

由圖3可知，攪拌速率從50 r/min增加至600 r/min，鐵離子的反萃率分別為49.4%，53.3%，54.0%，56.7%，57.4%，58.1%。鐵離子的反萃率在攪拌速率為200 r/min左右時(shí)開(kāi)始趨于平緩，但保持略微增大的趨勢(shì)從54.0%增加至58.1%。在所選研究區(qū)間內(nèi)，當(dāng)攪拌速率為600 r/min時(shí)，兩相混合程度達(dá)到最大，相間接觸面積達(dá)到最大，傳質(zhì)速率達(dá)到最高。在工程實(shí)際中，攪拌速率不應(yīng)過(guò)高，更高的攪拌速率意味著更高的能耗。為保證反應(yīng)物料的充分混合，盡可能提高鐵離子的反萃率，本文選擇攪拌速率為300 r/min開(kāi)展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

2.2.4 反萃相比對(duì)鐵離子反萃率的影響 反萃劑用量也是決定萃取劑再生成本消耗的關(guān)鍵因素。反萃劑用量越大，萃取劑中鐵離子的反萃率越高，萃取劑再生效果越好。但是反萃劑用量過(guò)大會(huì)導(dǎo)致資源浪費(fèi)，成本增加。萃取劑中鐵離子的反萃率隨反萃相比A/O的變化規(guī)律見(jiàn)圖4。實(shí)驗(yàn)條件：草酸濃度60 g/L，反萃溫度333.15 K，反萃時(shí)間15 min，攪拌速率300 r/min，萃取劑中鐵離子濃度為6.990 3 mg/g萃取劑，相比A/O為1∶3，1∶2，1∶1，2∶1，3∶1。

圖4 反萃相比A/O對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.4 Effect of phase ratio A/O on stripping ratio of iron ion

由圖4可知，當(dāng)A/O值處于0.3～2.0時(shí)，鐵離子的反萃率隨A/O值的增加而快速上升；當(dāng)A/O值處于2.0～3.0時(shí)，鐵離子的反萃率隨A/O值的增加上升趨勢(shì)逐漸趨于平緩，表明隨著草酸的比例增加，反萃相比對(duì)于鐵離子的影響逐漸變?nèi)?。綜合考慮鐵離子的反萃率和原料的成本等因素，認(rèn)為相比A/O為1∶1～2∶1是適宜的操作相比，并以相比A/O為1∶1開(kāi)展后續(xù)的實(shí)驗(yàn)。

2.2.5 萃取劑初始鐵離子含量對(duì)反萃率的影響 萃取劑中初始鐵離子含量對(duì)于鐵離子的反萃率的影響見(jiàn)圖5。實(shí)驗(yàn)條件：草酸濃度60 g/L，相比A/O為1∶1，反萃溫度333.15 K，反萃時(shí)間15 min，攪拌速率300 r/min，萃取劑中鐵離子初始含量為0.622 2,1.845 5,3.490 4,4.674 3,6.117 7 mg/g萃取劑。

圖5 萃取劑中初始鐵離子含量對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.5 Effect of initial iron ion content on the stripping rate of iron ion

由圖5可知，隨著萃取劑中鐵離子含量的逐漸增加，鐵離子的反萃率逐漸下降，但草酸中的鐵離子含量卻在逐漸升高，這表明單位質(zhì)量的草酸結(jié)合了更多的鐵離子，草酸的利用率得到了提高。因此，在使用草酸進(jìn)行鐵離子的反萃時(shí)，應(yīng)盡可能提高萃取劑中的鐵離子濃度，以避免草酸的浪費(fèi)。

2.2.6 草酸濃度對(duì)鐵離子反萃率的影響 草酸濃度對(duì)于鐵離子反萃率的影響規(guī)律見(jiàn)圖6。實(shí)驗(yàn)條件：相比A/O為1∶1，反萃溫度333.15 K，反萃時(shí)間15 min，攪拌速率300 r/min，萃取劑中鐵離子濃度為6.990 3 mg/g萃取劑，草酸濃度為20～100 g/L。

圖6 草酸濃度對(duì)鐵離子反萃率的影響Fig.6 Effect of oxalic acid concentration on stripping rate of iron ion

由圖6可知，隨著草酸濃度從20 g/L增加至100 g/L，鐵離子的反萃率分別為17.1%，33.7%，52.5%，56.5%，63.6%，呈逐漸上升的趨勢(shì)。當(dāng)草酸濃度介于20～60 g/L時(shí)，鐵離子的反萃率上升較快；當(dāng)草酸濃度高于60 g/L時(shí)，鐵離子的反萃率上升趨勢(shì)逐漸放緩，草酸濃度對(duì)反萃率的影響逐漸變?nèi)酢４送?，受溶解度限制，草酸可能在溫度降低時(shí)結(jié)晶析出，導(dǎo)致反應(yīng)的傳質(zhì)效率降低，造成設(shè)備的孔徑堵塞。因此，草酸濃度不應(yīng)過(guò)高。本文認(rèn)為草酸濃度為60～80 g/L時(shí)，既能保持較高的鐵離子反萃率，也不會(huì)造成草酸的浪費(fèi)，是比較適宜的草酸濃度。

2.3 反萃液的高值化利用及鐵元素的回收

反萃液主要成分為草酸以及草酸和鐵離子生成的絡(luò)合物，該溶液對(duì)于紫外線(xiàn)和短波可見(jiàn)光有很強(qiáng)的吸收。本實(shí)驗(yàn)取反萃液150 mL，在太陽(yáng)光下照射進(jìn)行光解實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明，初始綠色溶液逐漸變得澄清透明，同時(shí)有沉淀物生成，ICP-OES分析結(jié)果表明，溶液中鐵離子的質(zhì)量含量由0.35%降低至0.2%。對(duì)沉淀物進(jìn)行XRD分析，結(jié)果見(jiàn)圖7，結(jié)果表明,沉淀的主要成分為二水草酸亞鐵，結(jié)合相關(guān)文獻(xiàn)資料可知光照過(guò)程反應(yīng)如下[14]：

(4)

產(chǎn)生的[Fe(C2O4)2]3-光分解也會(huì)產(chǎn)生Fe2+：

(5)

Fe2+與[Fe(C2O4)2]2-發(fā)生反應(yīng)生成草酸亞鐵：

Fe2++[Fe(C2O4)2]2-=FeC2O4↓

(6)

圖7 沉淀XRD圖譜與二水草酸亞鐵標(biāo)準(zhǔn)卡片F(xiàn)ig.7 XRD pattern of precipitation and standard card of ferrous oxalate dihydrate

3 結(jié)論

優(yōu)選出草酸作為反萃劑，開(kāi)展了草酸反萃S-15萃取劑中鐵離子的工藝實(shí)驗(yàn)研究。隨著萃取劑初始鐵離子含量、反萃溫度增加，鐵離子的反萃率降低；隨著反萃相比、草酸濃度的增加，鐵離子的反萃率增加；反應(yīng)時(shí)間超過(guò)5 min后，繼續(xù)延長(zhǎng)反應(yīng)時(shí)間對(duì)鐵離子的反萃率影響較??；攪拌速率高于200 r/min時(shí)，繼續(xù)增大攪拌速率對(duì)鐵離子的反萃率的影響較小。當(dāng)相比A/O為1∶1，反萃溫度為333.15 K，草酸濃度為60 g/L，攪拌速率為300 r/min，反萃時(shí)間為15 min時(shí)，草酸對(duì)含鐵(質(zhì)量分?jǐn)?shù))0.7%左右的S-15萃取劑中鐵離子的單級(jí)反萃率能達(dá)到50%以上，這表明草酸作為反萃劑具有較好的反萃效果。在光照反萃液2 h后，反萃液中的鐵離子以二水草酸亞鐵形式沉淀，反萃液中鐵離子濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))由0.35%降低至0.2%，反萃液可繼續(xù)循環(huán)使用。