磷鐵渣制備磷酸鐵的工藝研究

徐榮益，李意能，者加云

（佛山市德方納米科技有限公司，廣東 佛山 528000）

磷鐵渣是黃磷生產(chǎn)過程中的一種副產(chǎn)物，原料來源廣泛，價格便宜。磷鐵渣可以用來制備磷酸鐵、磷酸三鈉、磷酸二鈉等產(chǎn)品，也可以在鋼鐵工業(yè)中作為合金劑和脫漿劑使用[1-3]。磷酸鐵是制備鋰離子電池常用原料，制備工藝備受關注，磷酸鐵的常用制備方法是以鐵鹽溶液和磷酸為原料通過液相沉淀法制備，用此方法制備磷酸鐵工藝簡單，所得產(chǎn)品純度高、晶型好，但生產(chǎn)成本較高[4-6]。隨著工業(yè)的發(fā)展，磷酸鐵制備工藝不斷被開發(fā)出來，如用磷鐵礦石制備、以磷鐵渣為原料制備等，相對于利用純物質制備磷酸鐵，用磷鐵礦石、磷鐵渣為原料制備磷酸鐵具有原料來源廣、成本低等特點。然而，用鋰礦石和磷鐵渣制備的磷酸鐵往往純度低，限制了其應用[7，8]。本文以磷鐵渣為原料，用硝酸對其消解獲得磷鐵浸出液，再用P204進行純化，獲得高純度磷鐵液，通過沉淀法制備出高純度磷酸鐵。

1 主要儀器及試劑

燒杯、三口燒瓶、油浴鍋、冷凝管、水循環(huán)式真空泵、真空烘箱，破碎機；磷鐵渣、磷酸、硝酸、氨水、去離子水、P204、磺化煤油等。

2 實驗方法與結果分析

2.1 實驗過程

取一定磷鐵渣，加入破碎機中進行破碎，破碎后的物料加硝酸進行消解獲得磷鐵浸出液，用萃取劑進行萃取除雜獲得高純度磷鐵液，將磷鐵液倒入三口燒瓶中，加入適量氨水，加熱反應生成磷酸鐵沉淀，過濾、洗滌、干燥沉淀得到高純度的磷酸鐵產(chǎn)品。

2.2 實驗結果與討論

2.2.1 萃鐵過程相比對P204萃鐵率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索萃鐵過程相比對P204萃鐵率的影響。

從表1可以看出，不同的相比對P204萃鐵率有較大的影響，隨著油水比的增加，P204萃鐵率先增大而后趨于不變。P204萃鐵具有一個最大飽和度，當P204萃鐵達到飽和時，將不再萃取溶液中的鐵離子，因此油水比為0.5:1時，P204已飽和，但是溶液中仍然存在一定的鐵離子，導致P204對溶液中鐵的萃取率較低，隨著油水比增大，有機相中P204增多，可萃取鐵含量增加，萃鐵率不斷增大；當油水比大于1:1以后， P204萃取率基本不變，因此相比為1:1較為合適。

表1 相比對P204萃鐵率的影響

2.2.2 萃取時間對P204萃鐵率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索萃取時間對P204萃鐵率的影響。

從表2可以看出，萃取時間對P204萃鐵率有一定影響，P204萃鐵率隨萃取時間增大先增大后趨于不變，P204萃鐵是一個緩慢進行的過程，萃取時間短，P204萃取的鐵較少，萃取率較低，隨著萃取時間增加，P204萃取的鐵含量增加，萃取率增大，當萃取時間大于6min以后，萃取劑已基本飽和，很難再繼續(xù)萃取溶液中鐵離子，萃取率基本不變，從提高萃取效率方面考慮，萃取時間為6min較為合適。

表2 萃取時間對P204萃鐵率的影響

2.2.3 反萃液磷含量對P204反萃效率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索反萃液磷含量對P204反萃效率的影響。

從表3可以看出，反萃液磷含量對P204反萃效率有一定影響，隨著反萃液磷含量的增大，P204反萃效率先增大而后趨于不變。P204反萃是P204與溶液中磷酸根相互爭奪鐵離子過程，適當增大反萃液中磷含量，可以增強磷酸根與鐵離子作用力，有利于P204反萃，因此，隨著反萃液中磷含量增加，P204反萃效率變高，當反萃液中磷含量增大至7%以后，P204反萃效率增加緩慢，反萃液中的磷含量為7%較為合適。

表3 反萃液磷含量對P204反萃效率的影響。

2.2.4 除雜過程的相比對P204除雜效率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索除雜過程的相比對P204除雜效率的影響。

從表4可以看出，除雜過程的相比對P204除雜效率有較大的影響，P204除雜效率隨油水相比的增大先增大而后趨于不變。P204對雜質的萃取同樣具有一定飽和度，增大有機相用量，間接增加了P204萃取劑用量，被P204萃取的雜質離子增多，除雜效率增大，當油水比大于1:1以后，再繼續(xù)增大有機相用量，P204除雜效率增加較少，且容易造成有機相浪費，除雜過程的相比Vo:Va為1:1較為合適。

表4 除雜過程的相比對P204除雜效率的影響

2.2.5 萃取時間對P204除雜效率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索萃取時間對P204除雜效率的影響。

從表5可以看出，萃取時間對P204除雜效率有一定影響，除雜效率隨萃取時間增加先增大后趨于不變。當萃取時間小于6min時，P204萃取劑不斷從溶液中萃取雜質離子，萃取率不斷增大，當萃取時間大于6min以后，P2P4基本飽和，對雜質離子萃取效率變慢，P204萃取除雜過程的萃取時間以6min較為合適。

表5 萃取時間對P204除雜效率的影響

2.2.6 除雜過程反萃液硝酸濃度對P204反萃率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索除雜過程反萃液硝酸濃度對P204反萃率的影響。

從表6可以看出，除雜過程反萃液硝酸濃度對P204反萃率有一定影響，特別是硝酸濃度較低時，對P204反萃率影響較大。P204反萃過程是P204萃取劑和溶液中氫離子相互爭奪雜質離子過程，溶液中硝酸含量增大，反萃液對雜質離子結合力增強，利于P204中雜質離子被反萃下來，當溶液中硝酸濃度大于6%以后，再繼續(xù)增大硝酸含量，對提升P204反萃效率不明顯，同時容易造成硝酸浪費，硝酸濃度為6%較合適。

表6 除雜過程反萃液硝酸濃度對P204反萃率的影響

2.2.7 磷酸鐵制備過程中磷鐵比對磷酸鐵收率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索磷酸鐵制備過程中磷鐵比對磷酸鐵收率的影響。

從表7可以看出，磷酸鐵制備過程中磷鐵比對磷酸鐵收率有較大的影響，磷酸鐵收率隨磷鐵比增大先增大后減小，磷鐵比小于1.1:1時，溶液中鐵離子未沉淀完全，隨著磷酸根含量增大，生成的磷酸鐵增多，磷酸鐵收率增加，當磷鐵比大于1.1:1以后，溶液pH降低，磷酸鐵生成速率減慢，收率有所下降，磷鐵比為1.1:1較為合適。

表7 磷酸鐵制備過程中磷鐵比對磷酸鐵收率的影響

2.2.8 磷酸鐵制備過程中溶液pH對磷酸鐵收率的影響

在實驗中，控制其它反應條件不變，探索磷酸鐵制備過程中溶液pH對磷酸鐵收率的影響。

從表8可以看出，磷酸鐵制備過程中溶液pH對磷酸鐵收率有一定的影響，磷酸鐵收率隨溶液pH增大先增大后減小，溶液pH小于1時，磷酸鐵生成速率較慢，收率有所下降，隨著溶液pH增加，磷酸鐵生成速率加快，收率變高；當溶液pH大于1以后，部分磷酸鐵開始向氫氧化鐵轉化，收率又開始下降，綜合考慮，溶液pH為1較合適。

表8 磷酸鐵制備過程中溶液pH對磷酸鐵收率的影響

3 結論

（1）通過對磷酸鐵合成過程中各因素進行探索，得到最佳條件為：P204萃鐵過程最佳相比為Vo:Va=1:1，萃取時間6min，反萃液磷含量7%；P204除雜過程最佳相比為Vo:Va=1:1，萃取時間6min，反萃液硝酸濃度6%；磷酸鐵制備過程的最佳實驗條件為磷鐵比1.1:1，反應pH=1。

（2）在影響產(chǎn)品收率的因素中，磷鐵比和pH對磷酸鐵收率均有一定影響，在合成過程中應嚴格控制。