浓缩湿法磷酸中杂质颗粒的沉降特性

Posted 2023-01-12 絮凝

篇首语：疾风知劲草，板荡识诚臣。本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了浓缩湿法磷酸中杂质颗粒的沉降特性相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

随着磷矿品位的日益下降，浓缩湿法磷酸中的杂质含量高达8%，给磷酸的输送、储存和后续加工带来了诸多困难。为了加快磷酸中杂质颗粒的沉降与净化，采用添加絮凝剂的方法来处理浓磷酸中的杂质，对比了添加絮凝剂前后对浓磷酸中杂质颗粒的沉降特性的影响，考察了温度对自然沉降和絮凝沉降的影响以及絮凝剂用量的变化对絮凝沉降速率的影响。结果表明，当沉降温度为60℃时沉降速率最大；絮凝沉降平均速率是自然沉降的2倍；磷酸浓度及杂质含量的不同导致絮凝剂最佳用量不同。
随着磷矿品位的降低，湿法磷酸中的杂质含量越来越多，给湿法磷酸的后续生产、输送和储存带来诸多困难。湿法磷酸中杂质的常见传统去除方法有自然沉降法和添加无机絮凝剂法。自然沉降法仅限于粗大的固体颗粒，由于自然沉降的动力是颗粒自身重力，因此沉降的速度比较慢，所需时间比较长，沉降需要很大的储槽。
无机絮凝剂有很多种类，常见的有明矾、三氯化铝、硫酸铝，在使用过程中也存在用量大、絮凝沉降速度慢、停留时间较长、受酸碱度影响大、处理效率低、有残留多余的杂质离子等缺点。
目前研究较多的是加入有机高分子絮凝剂去除湿法磷酸中杂质，具有用量少，絮凝能力强等优点。曾有报道，为了提高萃取率和过滤强度，向磷酸料浆中加入有机絮凝剂。云南富瑞化工有限公司曾使用过有机絮凝剂加快了浓磷酸中固体杂质的沉降速率，提高了装置生产负荷。但是市场化的有机絮凝剂只有聚丙烯酰胺和羟甲基纤维素等几个品种，鉴于聚丙烯酰胺对多金属尾矿和超细轻质碳酸钙等具有良好的沉降作用[5，6]，此实验采用向浓缩湿法磷酸中加入聚丙烯酰胺来加速固体杂质的沉降，国内还没有这方面报道。实验采用聚丙烯酰胺作为絮凝剂，对比了自然沉降与絮凝沉降的沉降速率，以及考察了浓度、温度、用量对絮凝沉降速率的影响。
1 实验部分
1.1 实验试剂和仪器
甲醇(国药集团化学试剂有限公司，分析纯)；硫酸(上海凌峰化学试剂有限公司，分析纯)；磷矿粉(贵州宏福公司提供，200目，元素组成见表1)；聚丙烯酰胺(淄博静波净水材料有限公司，分子量1000万)。

旋转蒸发器(上海亚荣生化仪器厂，RE-52AA型)；电热恒温鼓风干燥箱(上海一恒科学仪器有限公司)；超级水浴恒温锅(上海精宏实验设备有限公司，DKB-501A型)；循环水式多用真空泵(上海豫康科教仪器设备有限公司，SHB-ⅢA型)。
1.2 湿法磷酸的制备
实验采用二水物法制备湿法磷酸，即用硫酸与回磷酸分解磷矿，反应温度控制在80～90℃，反应时间为6h，液固比为1∶2.5，经抽滤、洗涤后得到w(P2O5)26%左右的磷酸，然后旋转蒸发得到w(P2O5)50%左右的浓磷酸。
1.3 絮凝剂溶液的配置
由于PAM的相对分子量很高，不易溶解，先配制成浓度为0.1%的水溶液，在使用前再稀释到0.05%。取0.1g(精确至0.0001g)PAM，加入100g去离子水，加热使之溶解，但温度不要超过60℃，以免其分解。尽量现用现配，防止陈化，黏度降低的越快，絮凝性能就越差。
1.4 实验方法
取四个100mL的量筒，加入100g湿法磷酸，然后分别加入0、4、8、12g/t的聚丙烯酰胺(PAM占浓磷酸的质量比)摇匀，置于60℃恒温水浴中，每间隔一定时间，记录其沉降面高度，然后绘制沉降速率曲线。最后将每个量筒中的淤渣用甲醇洗涤3次，于105℃恒温干燥箱中放置2h，于干燥器中冷却至室温，称量。
2 结果与讨论
2.1 温度对自然沉降速率的影响
温度对自然沉降速率的影响如图1和图2。

温度对磷酸中的固体颗粒的沉降有双重影响，一方面温度的变化直接导致磷酸粘度的变化，温度降低，磷酸的粘度增加，固体颗粒沉降时阻力增大，因此磷酸粘度增加会延长固体颗粒沉降所需时间，降低沉降速率。另一方面，温度又对磷酸中杂质的溶解度有很大影响，温度越低，杂质的溶解度越低，有利于沉淀的析出，加速沉淀的生成速度。
从图1和图2可以看出，不加絮凝剂的浓磷酸的沉降速率随温度变化而变化，当温度达到60℃时，沉降速率达到最大。随着温度的升高，磷酸的粘度降低，有利于加快沉降速率，同时固体颗粒的溶解度会增大，不利于沉淀的析出，阻碍了颗粒的沉降过程。结果表明，在温度达到60℃之前，温度对前者的影响要大于后者，因此升高温度，对沉降速率的提高是有利的。
2.2 温度对絮凝沉降速率的影响
向4个量筒中加入2g/t的聚丙烯酰胺，分别放置在30℃、40℃、50℃、60℃的恒温水浴中，沉降速率见图3和图4。

温度的高低对絮凝影响很大，过高和过低对絮凝作用都不利，絮凝温度也因体系不同而异。
溶液温度过高时，化学反应速度加快，形成的絮凝体细小，并使产生的絮凝体变得比较膨松，体积较大，更加难于分离。温度过低，所需化学反应时间延长，同时也会导致溶液的粘度增加，絮凝体沉降时阻力增大，对絮凝体有破坏作用，使絮凝体变得细小，不易分离。从图3和图4可以看出，絮凝沉降的最佳温度是60℃，随着温度的升高，磷酸溶液的粘度下降，分子间的相互作用降低，阻尼降低，沉降加快，但是温度过高，反而絮凝效果不好。
图2和图4表明，絮凝沉降的最大速率比自然沉降提高了很多，絮凝沉降平均速率约是自然沉降平均速率的2倍，沉降时间也大幅度减少，并且得到的磷酸比较清澈，固体悬浮物明显减少。
2.3 絮凝剂最佳用量的选择
一般情况下，絮凝效果随着絮凝剂的用量增加而增大。但是，絮凝剂的用量达到一定值时出现峰值，如再增加用量，絮凝效果反而下降，会使形成的絮凝体重新变成稳定的胶体，无法达到预期效果。另外，絮凝剂的用量与溶液中的悬浮物的含量有关。
絮凝剂是通过中和胶体颗粒所带电荷，降低Z电位，减小排斥能起作用的，胶体颗粒表面带有大量的负电荷，扩散层很厚，排斥能处于主导地位，胶体处于稳定状态，只有加入适量的絮凝剂，颗粒表面的电荷几乎全部被中和，Z电位降到最低，扩散层很薄，颗粒间的相互作用能够达到第一能量最小值，颗粒失去稳定状态，从而形成絮凝体。将w(P2O5)=48.5%的磷酸按上述试验方法进行，测得沉降速率曲线如图5。

从图5中可以看出，当絮凝剂的用量为4g/t时，杂质颗粒的沉降速率最快。此外，用量分别为0、4、8、12g/t的磷酸淤渣比重分别为1.56%、2.03%、1.68%、1.49%，从这个数据也可知用量为4g/t的磷酸下层淤渣量最多，聚丙烯酰胺的最佳用量为4g/t。将w(P2O5)%=49.9%的磷酸按上述同样方法进行，测得沉降速率曲线见图6。

从图6可以看出，当絮凝剂的用量为8g/t时，杂质颗粒的沉降速率最快。沉降开始阶段，不加PAM的磷酸的沉降速率比用量为4g/t要快，当沉降进行到12min时，后者沉降速率加快。此外，用量分别为0、4、8、12g/t的磷酸淤渣比重分别为2.43%、2.6%、2.95%、2.8%，从这个数据也可知用量为8g/t的磷酸下层淤渣量最多，说明此时絮凝效果最好，聚丙烯酰胺的最佳用量为8g/t。
将w(P2O5)%=51.5%的磷酸按上述同样方法进行，测得沉降速率曲线见图7。

从图7可以看出，当絮凝剂的用量为12g/t时，杂质颗粒的沉降速率最快，而不加PAM的磷酸沉降速率很慢，表明聚丙烯酰胺能够通过架桥作用，将小颗粒结合成大颗粒。用量分别为0、4、8、12g/t的磷酸淤渣比重分别为4.05%、4.3%、5.0%、5.08%，从淤渣所占比重和沉降速率快慢来看，最佳用量为12g/t。
上面数据表明，磷酸浓度的不同，导致磷酸里所含杂质量也不同，使用同样量的絮凝剂，其沉降速度也是不同的。絮凝剂的用量取决于磷酸浓度及其所含杂质，磷酸浓度越高，杂质离子的溶解度越小，析出的杂质小颗粒就越多，因此，絮凝剂的用量就越多。不同浓度的磷酸所需絮凝剂的用量是不同的，需要通过具体的实验来确定絮凝剂的用量。
3.结论
1)温度对自然沉降和絮凝沉降都有影响，温度达到60℃时，沉降速率达到最大，同时絮凝沉降平均速率约是自然沉降平均速率的2倍。
2)不同浓度的磷酸，即使加入同样量的絮凝剂，其沉降速度也是不同的，絮凝剂的用量与磷矿的品位、磷酸的浓度及固体含量有关。
3)磷酸中杂质颗粒的沉降速率在一定范围内随絮凝剂用量的增加而增大，但存在一个最佳用量，最佳用量只能通过具体的实验来断定，而不能计算出来。