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中低品位磷礦及其共伴生資源高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 甕福集團(tuán):凈化濕法磷酸副產(chǎn)萃余酸脫鎂技術(shù)研究現(xiàn)狀
發(fā)布時(shí)間:2024-11-05 來(lái)源:未知     分享到:

【出版源】石通杉,楊 俊,劉 旭,等.凈化濕法磷酸副產(chǎn)萃余酸脫鎂技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].生態(tài)產(chǎn)業(yè)科學(xué)與磷氟工程,2024,39(10):21-24.


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凈化濕法磷酸副產(chǎn)萃余酸脫鎂技術(shù)研究現(xiàn)狀

石通杉1,2 楊 俊1,2 劉 旭1,2 謝 娟1,2

(1.中低品位磷礦及其共伴生資源高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,貴州 貴陽(yáng) 550014;2.甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司,貴州 貴陽(yáng) 550001)

[作者簡(jiǎn)介]石通杉(1995-),中低品位磷礦及其共伴生資源高效利用國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室  甕福(集團(tuán))有限責(zé)任公司,工程師,主要從事精細(xì)化工方向研究。

[基金項(xiàng)目]貴州省科技計(jì)劃項(xiàng)目(黔科合中引地[2023]004)

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[摘 要]隨著凈化濕法磷酸裝置擴(kuò)產(chǎn)擴(kuò)能,副產(chǎn)物萃余酸產(chǎn)生量也在逐年增加,但萃余酸因成分復(fù)雜、倍半氧化物含量高,難以被高效利用,尤其雜質(zhì)中的鎂離子更是限制了其利用方向。分析萃余酸的組成及鎂離子雜質(zhì)對(duì)其利用的影響。對(duì)比分析化學(xué)沉淀法、pH調(diào)節(jié)法、膜分離凈化法脫鎂的應(yīng)用及優(yōu)劣勢(shì),并針對(duì)萃余酸脫鎂提出建議。

[關(guān)鍵詞]萃余酸凈化;脫鎂;對(duì)比分析;建議

Research status of technology for removing magnesium from residual acid after purification of wet-process phosphoric acid

SHI Tongshan1,2,YANG Jun1,2,LIU Xu1,2,XIE Juan1,2
(1. State Key Laboratory of Efficient Utilization of Medium and Low Grade Phosphate Rock and Its Associated Resources,Guiyang 550014,China; 2. WengfuGroupCo.,Ltd.,Guiyang 550001,China

Abstract:With the expansion of production and capacity of purified wet-process phosphoric acid plant,the amount of by-product residual acid is also increasing year by year.However,the residual acid is difficult to efficiently utilize due to its complex composition and high content of sesquioxides,especially the magnesium ions limit its utilization direction.The composition of residual acid and the impact of magnesium ion on its utilization are analyzed.The application,advantages and disadvantages of chemical precipitation method,pH adjustment method and membrane separation purification method for magnesium removal are compared and analyzed,and rational suggestions are proposed for magnesium removal from residual acid.

Key words:purification of residual acid;magnesium removal;comparative analysis;suggestion

20 世紀(jì)80 年代至今,國(guó)內(nèi)眾多專家學(xué)者、企業(yè)不斷對(duì)濕法磷酸的凈化方法和工藝流程進(jìn)行研究,現(xiàn)已探索出溶劑萃取法、溶劑沉淀法、化學(xué)沉淀法、結(jié)晶法、電滲析法、離子交換法、物理吸附法等凈化濕法磷酸的方法,溶劑萃取法因能耗低、污染小、磷收率高,已被廣泛應(yīng)用于凈化濕法磷酸工業(yè)生產(chǎn)中。但在生產(chǎn)成本和萃取技術(shù)的限制下,目前P2O5的萃取率僅為50%~70%,即有30%~50%的P2O5還殘留在副產(chǎn)物萃余酸中[1]。磷化工企業(yè)為了減少磷資源浪費(fèi),經(jīng)過(guò)反復(fù)研究試驗(yàn),目前萃余酸主要被應(yīng)用于生產(chǎn)磷酸銨類肥料產(chǎn)品和飼料級(jí)磷化工產(chǎn)品,如肥料級(jí)磷酸一銨(MAP)、肥料級(jí)磷酸二銨(DAP)和飼料級(jí)磷酸氫鈣等[2],但生產(chǎn)中添加過(guò)多的萃余酸會(huì)嚴(yán)重影響產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備成本投入,萃余酸的消納量依舊較低。因此,如何高效利用萃余酸仍然是亟待解決的問(wèn)題。


1 萃余酸組分及對(duì)應(yīng)用的影響

濕法磷酸經(jīng)萃取凈化后,大部分雜質(zhì)(包括各種離子(陰離子、陽(yáng)離子)雜質(zhì)及非溶解性雜質(zhì)等)富集到萃余酸中,主要雜質(zhì)成分及化學(xué)成分分析結(jié)果如表1、表2 所示。由于目前濕法磷酸萃取率較低,導(dǎo)致約45%的P2O5殘留在了萃余酸中,而鎂、鋁、鐵在萃余酸中的含量又相對(duì)較高,很難將萃余酸直接應(yīng)用到其他生產(chǎn)中[3]。在磷酸鹽產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中,磷酸MER 值(w(MgO + Fe2O3+ Al2O3)/w(P2O5))已成為衡量其質(zhì)量的重要指標(biāo)[4]。在磷酸萃取凈化過(guò)程中,磷酸會(huì)與鐵、鎂、鋁等離子結(jié)合形成磷酸鹽,影響MER 值。其中,鎂離子最為突出,萃余酸中的鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2.5%~3.0%,相對(duì)較高,而鎂的存在會(huì)嚴(yán)重降低磷酸中第一氫離子的濃度,使磷酸反應(yīng)活性下降,酸的密度和黏度增加,使得加工性能惡化。以萃余酸為原料生產(chǎn)產(chǎn)品存在問(wèn)題見(jiàn)表3。如表3 所示,萃余酸中鎂含量增加會(huì)使磷銨料漿黏度變大,從而造成料漿在攪拌、傳輸過(guò)程中發(fā)生結(jié)疤、堵塞的可能性增大,需定期清理設(shè)備,且過(guò)多的鎂離子還會(huì)使產(chǎn)品生產(chǎn)過(guò)程中的水分控制難度增大;同時(shí)磷酸鎂鹽在磷酸溶液中溶解度很大,在磷酸鹽生產(chǎn)過(guò)程中,鎂還會(huì)進(jìn)入產(chǎn)品影響氮磷比,降低產(chǎn)品質(zhì)量[5]。磷化工行業(yè)迫切需要對(duì)萃余酸中的鎂進(jìn)行脫除,提升萃余酸純凈度,從而提高以萃余酸為原料得到的產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性,以及增加產(chǎn)品多樣性,最終解決萃余酸消納量低的問(wèn)題。以下將介紹幾種較為常見(jiàn)的萃余酸脫鎂方法,并結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際,對(duì)比分析各方法的優(yōu)劣勢(shì)。

表1 萃余酸主要雜質(zhì)成分[3]
Table 1 Main components of impurities in residual acid

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表2 萃余酸主要化學(xué)成分
Table 2 Main chemical constituents of residual acid %

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表3 以萃余酸為原料生產(chǎn)產(chǎn)品存在問(wèn)題
Table 3 The existing problems in producing product with residual acid as raw material

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2 萃余酸脫鎂技術(shù)
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2.1 沉淀法凈化脫鎂

杜懷明等[10]利用氟硅酸與萃余酸中的Mg2+形成難溶的氟硅酸鹽沉淀物,經(jīng)固液分離來(lái)凈化萃余酸,在最佳反應(yīng)條件下凈化后的萃余酸可用于生產(chǎn)優(yōu)等品DAP;吳邦文等[11]以濃硫酸為沉淀劑,連續(xù)均勻加入萃余酸中進(jìn)行脫鎂,在濃硫酸與萃余酸質(zhì)量比為1.2、反應(yīng)溫度為55 ℃、反應(yīng)時(shí)間為2 h的最佳工藝條件下,萃余酸中90%以上的Mg2+能被脫除掉;吳惠芳等[12]以萃余酸為原料,采用復(fù)鹽沉淀法進(jìn)行凈化后制備磷酸二氫鈉,其中的凈化劑為三聚氰胺,凈化后得到的磷酸二氫鈉中鎂質(zhì)量分?jǐn)?shù)僅為0.13%。除單一的脫鎂沉淀劑外,相關(guān)研究還采用了復(fù)配式沉淀劑脫鎂,如湯德元等[13]將乙醇、異丙醇按一定比例混勻后加入萃余酸中脫鎂,鎂的去除率最高達(dá)83.6%,同時(shí)磷收率最高為82.8%,之所以選用乙醇、異丙醇,是因?yàn)橐掖挤蛛x鐵、鋁效果好,而異丙醇分離鎂效果好;湯德元等[14]公開(kāi)了一種凈化萃余酸的方法,先將醇類試劑與萃余酸混合攪拌10 min,再按n(F)/n(Mg)為5.4~6.0 添加氟硅酸繼續(xù)反應(yīng)30 min 左右,從而達(dá)到凈化萃余酸的目的,萃余酸中的鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可從2.8%降至0.5%;李文飛等[15]將2-壬基萘磺酸、磺化煤油、磷酸按體積分?jǐn)?shù)40%、55%、5%混合后作為脫鎂劑對(duì)萃余酸進(jìn)行脫鎂,萃余酸中的鎂離子質(zhì)量分?jǐn)?shù)可從2.33%降低到0.8%;劉兵兵等[16]發(fā)明了一種降低萃余酸中金屬離子的方法,主要是將氨水與含氟化合物的混合物加入萃余酸中攪拌,在一定溫度、時(shí)間條件下反應(yīng),反應(yīng)結(jié)束后過(guò)濾,得到凈化后的萃余酸,經(jīng)該方法處理得到的萃余酸中鎂離子去除率可達(dá)20%~49%。

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2.2 pH調(diào)節(jié)法凈化脫鎂

萃余酸的酸性較強(qiáng),一般pH≤1.2,使得金屬陽(yáng)離子難以形成沉淀析出。pH 調(diào)節(jié)法凈化脫鎂是利用金屬陽(yáng)離子在不同pH 條件下產(chǎn)生沉淀的難易程度不同,多數(shù)陽(yáng)離子在pH 較高時(shí)才更容易形成沉淀。陳遵逵等[17]以溶劑萃取法凈化濕法磷酸所得的萃余酸為原料,采用二次中和法制備工業(yè)級(jí)磷酸一銨,即將氨氣與萃余酸進(jìn)行中和反應(yīng),萃余酸中的Mg2+隨著pH 上升逐漸轉(zhuǎn)化為磷酸銨鎂沉淀,最終可將稀釋后萃余酸中w(MgO)從2.305 0%降至0.267 8%。張一敏等[18]公開(kāi)了一種基于磷酸萃余酸的磷酸二銨制備方法,其以尿素作為酸度調(diào)節(jié)劑,加入稀釋后的萃余酸中調(diào)節(jié)pH 至6~7,然后固液分離達(dá)到凈化萃余酸的目的,鎂去除率達(dá)到了90%以上。

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2.3 膜分離凈化脫鎂

黃春梅等[19]采用擴(kuò)散滲析法凈化萃余酸,并以DD-A-8 型離子交換膜對(duì)萃余酸中的金屬離子進(jìn)行攔截。結(jié)果表明:在最佳工藝條件下,萃余酸經(jīng)膜凈化后P2O5回收率>40%,Mg2+截留率>99%,該法得到的凈化萃余酸中鎂、鐵、鋁含量均極低。紀(jì)鎂鈴等[20]公開(kāi)了一種基于離子交換膜的濕法磷酸萃余酸凈化工藝,通過(guò)離子交換膜的選擇透過(guò)性實(shí)現(xiàn)磷酸和雜質(zhì)金屬離子的分離,過(guò)程中不添加其他任何化學(xué)試劑,只改變萃余酸和接收液的流向、流速,依靠濃度差進(jìn)行酸和雜質(zhì)分離,最終Mg2+去除率可達(dá)96%。也有研究提出了一種濕法磷酸萃余酸凈化用離子交換膜裝置,該裝置主要由磷酸萃余酸桶、磷酸分離膜組件、第一出水管、殘酸桶、純水桶、第二出水管和回收酸桶等組成,通過(guò)磷酸分離膜組件將萃余酸中的磷酸與其他磷酸鹽和雜質(zhì)分離,回收的磷酸濃度高,生產(chǎn)成本較低,同時(shí)減輕了環(huán)境污染[21]。季家友等[22]針對(duì)萃余酸中有機(jī)溶劑及固相物的凈化工藝進(jìn)行了研究,第一步先利用反應(yīng)釜汽提初步降低萃余酸中有機(jī)溶劑、固相物含量,后通過(guò)陶瓷膜親水憎油的優(yōu)勢(shì)及其過(guò)濾孔徑小的截留效應(yīng)實(shí)現(xiàn)有機(jī)相和懸浮物的進(jìn)一步脫除。在納濾條件下,萃余酸中Mg2+去除率可達(dá)90%,該工藝只涉及物理分離,無(wú)二次污染。

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2.4 常見(jiàn)萃余酸脫鎂技術(shù)對(duì)比分析

萃余酸成分較為復(fù)雜,在不考慮工藝流程、投資成本等前提條件下,采用不同方法達(dá)到的脫鎂效果大相徑庭,表4 列出了幾種常見(jiàn)的萃余酸脫鎂技術(shù)優(yōu)劣勢(shì),同時(shí)重點(diǎn)對(duì)比分析了化學(xué)沉淀法、pH調(diào)節(jié)法及膜分離法脫鎂的缺點(diǎn)。

表4 萃余酸脫鎂技術(shù)優(yōu)劣勢(shì)對(duì)比
Table 4 Comparison of advantages and disadvantages of removing magnesium from residual acid

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(1)化學(xué)沉淀法容易引入其他新雜質(zhì),造成二次污染,且在脫鎂劑回收方面的研究較少,運(yùn)行成本難以把控;溶劑沉淀法脫鎂,即以醇類等作為脫鎂劑,雖可通過(guò)蒸餾方式回收沉淀劑,但風(fēng)險(xiǎn)較大,在回收過(guò)程中存在泄漏、爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)對(duì)于通過(guò)調(diào)節(jié)pH 凈化萃余酸的工藝,常采用中和劑氨氣來(lái)凈化萃余酸,除雜效果雖好,但仍存在以下3 個(gè)問(wèn)題:①在除雜過(guò)程中會(huì)生成大量的膠狀沉淀物,導(dǎo)致最終的除雜料漿難以過(guò)濾;②在一般情況下,會(huì)有25%~30%的磷損失;③采用氨氣相比氨水除雜效果更好,但在操作過(guò)程中難以避免氨氣從反應(yīng)器逸出,導(dǎo)致操作環(huán)境較差或者對(duì)設(shè)備的密封性等要求會(huì)更加嚴(yán)格。

(3)采用膜分離凈化萃余酸脫鎂,雖不會(huì)造成二次污染,操作安全風(fēng)險(xiǎn)較小,且金屬離子去除率高,但萃余酸黏度較大、固含量較高、不溶物雜質(zhì)顆粒較細(xì),在除雜過(guò)程中容易造成膜堵塞。相對(duì)其他方法,膜分離凈化處理量有限且設(shè)備維護(hù)成本相對(duì)較高,目前難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的工業(yè)化應(yīng)用。


3 總結(jié)與展望

(1)萃余酸中的鎂含量相對(duì)較高,是限制萃余酸利用的重要因素之一。萃余酸成分復(fù)雜,單一的提純方法難以達(dá)到好的凈化效果,除了開(kāi)發(fā)新的脫鎂技術(shù),還可研究多種技術(shù)融合的脫鎂工藝,分段脫除雜質(zhì),實(shí)現(xiàn)萃余酸的深度凈化,拓寬萃余酸的消納途徑,緩解凈化濕法磷酸的生產(chǎn)壓力。

(2)探索新的凈化工藝或?qū)ふ倚Ч玫妮腿?,從源頭上減少萃余酸的產(chǎn)生量,可降低后期萃余酸的處理成本。

(3)改造現(xiàn)有設(shè)備或開(kāi)發(fā)新型設(shè)備,針對(duì)萃余酸的特性配置有效的硬件設(shè)施,從而改善萃余酸在生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的結(jié)疤、結(jié)塊現(xiàn)象,解決管道堵塞、設(shè)備負(fù)荷高等問(wèn)題,這對(duì)推動(dòng)磷復(fù)肥產(chǎn)業(yè)向綠色化發(fā)展具有重要意義。

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