氟硅酸電化學(xué)除氯實(shí)驗(yàn)研究

周鵬飛，姜 菲

（貴州甕福藍(lán)天氟化工股份有限公司，貴州 福泉 550501）

國(guó)外氟硅酸的純化有四種方法：德國(guó)專利DE1243802 和DE1095859 采用含45%～55%P2O5的磷酸提純含量為15%～20%的氟硅酸，可以得到含量為30%左右的氟硅酸；美國(guó)專利US3645678采用90%以上的濃硫酸使氟硅酸脫水，生成四氟化硅，四氟化硅揮發(fā)后，用稀氟硅酸吸收，即得含量為40%～60%的較純氟硅酸；Tivnan 等[1]采用高分子胺吸附濃縮提純氟硅酸；Tomaszewska[2]采用膜蒸餾法（membrane distillation）對(duì)粗氟硅酸進(jìn)行濃縮提純，凈化效果很好。這四種方法均是在濃縮的同時(shí)對(duì)氟硅酸進(jìn)行提純，工藝較復(fù)雜，投資大。高分子胺吸附法需要進(jìn)行后續(xù)分離，分離效果有限。并且這四種方法對(duì)易揮發(fā)的輕組分如氯、碘從氟硅酸中分離的效果不明顯。國(guó)內(nèi)對(duì)氟硅酸的純化主要采用改性活性炭吸附法，此方法對(duì)除去氟硅酸中的砷、氯和碘有一定的效果，但在吸附雜質(zhì)的同時(shí)也吸附走一定量的氟硅酸，造成氟硅資源浪費(fèi)并且活性炭的再生利用存在較大困難。

在氟硅酸所含各種雜質(zhì)中，氯元素難去除且影響大。氯與氟屬同族元素并且性質(zhì)相似，很難用常規(guī)方法有效去除。為了解決困擾多時(shí)的氯元素脫除難題，本課題小組擬采用電解法進(jìn)行氟硅酸除氯實(shí)驗(yàn)研究。目前未見(jiàn)有此法提純氟硅酸的報(bào)道，本方法工藝簡(jiǎn)單、設(shè)備投入少、操作簡(jiǎn)便，易于實(shí)現(xiàn)工業(yè)化。本實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的成功開(kāi)展，將從根本上解決氟硅酸工業(yè)化利用的諸多難題，并且符合國(guó)家倡導(dǎo)的綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展理念。

1 實(shí)驗(yàn)原理

氟硅酸中氯、碘、氟硅酸根離子等擁有不同的電極電勢(shì)，根據(jù)鹵素離子還原性的差異：F-＜Cl-＜Br-＜I-，將氯離子電解成氯氣從陽(yáng)極逸出。

通電前，H+和Cl-等在氟硅酸溶液中自由移動(dòng)；通電后，這些自由移動(dòng)的離子在電場(chǎng)作用下改作定向移動(dòng)。溶液中帶正電的H+向陰極移動(dòng)，帶負(fù)電的Cl-向陽(yáng)極移動(dòng)。在陰極，H+獲得電子而還原成氫氣從陰極逸出；在陽(yáng)極，Cl-失去電子而被氧化成氯原子，并兩兩結(jié)合成氯氣分子，從陽(yáng)極逸出。

陰極：2H++2e-→H2↑

陽(yáng)極：2Cl--2e-→Cl2↑

電解過(guò)程中電極材料的選擇會(huì)對(duì)電解實(shí)驗(yàn)進(jìn)程有一定的影響，電極材料必須有較好的抗酸性、抗腐蝕性及抗氧化還原性，故選用碳棒為陰極材料、含稀有金屬涂層的鈦板為陽(yáng)極材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

微課資源庫(kù)建設(shè)工作量比較大，筆者組建了“C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)”團(tuán)隊(duì)分工協(xié)作來(lái)完成微課的課程建設(shè)。根據(jù)課程的教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)設(shè)計(jì)，選題、視頻拍攝、制作、加工等流程，把適合制作成微課的知識(shí)點(diǎn)選取出來(lái)，特別是歷年真題中反復(fù)考試的重難點(diǎn)知識(shí)選取出來(lái)制作成微課視頻，其他授課內(nèi)容利用傳統(tǒng)授課方式進(jìn)行講授。每個(gè)微課視頻的設(shè)計(jì)都有明確的教學(xué)目標(biāo)、多樣化的教學(xué)方法和完整的教學(xué)過(guò)程。

2 實(shí)驗(yàn)方案

2.1 實(shí)驗(yàn)原料

本實(shí)驗(yàn)原料選用甕福藍(lán)天湖北子公司C-4270（尾洗）外排氟硅酸，其組分和含量見(jiàn)表1。

表1 原料酸成分表

選用湖北子公司外排氟硅酸為原料，一方面是由于此處酸樣氯含量高，實(shí)驗(yàn)具有代表性；另一方面湖北子公司生產(chǎn)系統(tǒng)受氯元素影響較大，以此為基礎(chǔ)的研究有利于未來(lái)在湖北子公司實(shí)現(xiàn)工業(yè)化電解除氯。

2.2 實(shí)驗(yàn)器材

實(shí)驗(yàn)裝置以碳棒（自備）為陰極，鈦板（含稀有金屬涂層）為陽(yáng)極，直流電源型號(hào)規(guī)格見(jiàn)表2。

表2 直流電源型號(hào)規(guī)格表

2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

稱取一定量的原料氟硅酸溶液，放入簡(jiǎn)易電解槽中，在不同電位條件下觀察電解情況，檢測(cè)記錄不同實(shí)驗(yàn)條件前后質(zhì)量、溫度、氟硅酸含量、氯含量等并計(jì)算對(duì)應(yīng)的氟硅酸樣品中氯元素脫除率和氟硅酸損失率。

3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及分析

3.1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

（1）電位在2.7 V、電流為0.26 A 時(shí)電解可以發(fā)生，有氯氣及氫氣逸出，但效率較低。氣體逸出會(huì)導(dǎo)致液體飛濺。

（2）電位在6 V 以上時(shí)，有大量氣泡逸出，效率較高。

（3）隨著電解的進(jìn)行，氟硅酸溫度由20 ℃升高到52 ℃。

（4）當(dāng)溫度升高時(shí)，電流增大，電解效率增強(qiáng)。

3.2 不同電位條件下氯的去除情況

室溫（20 ℃）下，稱取4 組原料氟硅酸（各400 g），放入簡(jiǎn)易電解槽中，調(diào)整不同的電源輸出，持續(xù)電解2.5 h。不同電位實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 不同電位實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.3 同一電位下持續(xù)電解情況

（1）室溫下（20 ℃），稱取400 g 原料氟硅酸放入簡(jiǎn)易電解槽中，電源輸出調(diào)整為6.5 V，持續(xù)電解2.5 h。結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 6.5 V 持續(xù)電解結(jié)果

（2）室溫（20 ℃）下，稱取400 g 原料氟硅酸放入簡(jiǎn)易電解槽，電源輸出調(diào)整為7.5 V，持續(xù)電解2.5 h。結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 7.5 V 持續(xù)電解結(jié)果

（3）室溫（20 ℃）下，稱取400 g 原料氟硅酸放入簡(jiǎn)易電解槽，電源輸出調(diào)整為8.0 V，持續(xù)電解2.5 h。結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 8.0 V 持續(xù)電解結(jié)果

4 結(jié)論

（1）隨著實(shí)驗(yàn)電壓電流的升高，電解效率也越高。

（2）通過(guò)電解，氟硅酸中氯離子含量從2.28%降低到0.06%以下，氯脫除率達(dá)到99.73%。

（3）電解后氟硅酸溫度升高，氟硅酸損失率在0.92%～2.83%之間，其原因?yàn)榉杷嶙該]發(fā)及氯氣、氫氣逸出時(shí)產(chǎn)生的微量氣提。

（4）相同條件下，氟硅酸中氯離子含量在1%以下時(shí)，電解效率持續(xù)降低。

5 電解除氯工藝應(yīng)用前景

氟硅酸電解除氯工藝的應(yīng)用前景有如下三方面：

（1）進(jìn)一步釋放以氟硅酸為原料的無(wú)水氫氟酸（AHF）裝置產(chǎn)能，使AHF 濃縮系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定，提升產(chǎn)品質(zhì)量。

（2）從根本上解決了以氟硅酸為原料生產(chǎn)AHF對(duì)高氯氟硅酸的應(yīng)用限制，為貴州磷化集團(tuán)AHF項(xiàng)目國(guó)際化推廣提供重要支撐。

（3）為以氟硅酸為原料生產(chǎn)高品質(zhì)氟鹽奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。