濕法磷酸過濾脫色擴大性試驗

姜振勝,李 玲,佟宏宇

(湖北大峪口化工有限責任公司，湖北 鐘祥 431910)

0 引 言

某公司濕法磷酸生產原料為低品位膠磷礦經浮選工藝生產的磷精礦，磷礦自身含有機質及精礦漿中有機浮選藥劑等因素影響，磷酸萃取時，由于有機物碳化，使產品磷酸呈黑色，而黑色的濕法磷酸會影響磷銨產品的外觀質量，因此，有必要探索一種濕法磷酸脫色工藝來解決濕法磷酸顏色黑的問題，為濕法磷酸深加工提供前提條件.

為有效脫出凈化磷酸中的有機雜質, 已有研究者做過一些研究工作.國外主要采用化學絮凝法或光氧化法，并與吸附法(活性炭)等其它處理技術復合成多級處理工藝，脫色效果顯著，但初投資大，處理運行費用也較高[1-3].例如，日本的一項發明專利是將濕法磷酸置于高壓釜中加熱到150～250 ℃，從而使有機物幾乎全部炭化，再以活性炭吸附脫除.也有的方法是針對低分子量有機雜質，用高錳酸鉀、重鉻酸鉀、氯或氯系氧化劑等進行分解脫色[4].國內一些研究機構也對濕法磷酸脫色進行研究，采用較多的是活性炭或活性炭與雙氧水相結合的方法對濕法磷酸進行脫色[5-9].從原理上來講活性炭和雙氧水均可用于濕法磷酸脫色，雙氧水可以將磷酸中的大部分有機物氧化，可起到一定的脫色效果.活性炭具有較大的比表面積，具有較強的吸附能力，且脫色過程中避免了帶入新的雜質，但活性炭種類繁多，脫色的效果受活性炭的形狀和添加量的影響，因此，將活性炭用于濕法磷酸脫色需做大量的研究工作.除采用活性炭與雙氧水外，國內一些學者還研究了其他的濕法磷酸脫色方法，如：侯炎學等研究了用HS型沉淀劑快速沉降濕法濃磷酸中的淤渣和黑色素, 獲得了1 d可使95%的淤渣和全部黑色素完全沉降的效果[10].李燕鳳等提出用預分散溶劑萃取技術( PDSE)對濕法磷酸進行脫色，脫色率分別達到了66.3% 和74.1%[11].濕法磷酸呈現出較深的顏色，大都與磷礦自身含有機質及精礦漿中有機浮選藥劑碳化有關，而濕法磷酸的脫色方法仍未形成濕法磷酸脫色的完整理論和廣適型技術.

本次擴大性試驗采用設備為陜西金禹科技發展有限公司提供的自動反洗表面過濾器，通過現場試驗和數據的采集，驗證濕法磷酸過濾脫色的可行性，為工業化應用提供可靠的技術支持.

1 試驗設備與原料

1.1 試驗設備及其工作原理

1) 自動反洗表面過濾器

工作原理：自動反洗表面過濾器(陜西金禹科技發展有限公司制造)結構如圖1所示，其結構主要包括上桶體、下桶體、花板、膜組件、氣控撓性閥門、全自動集成控制器及相關配管組成.自動反洗表面過濾器的工作流程為：過濾-反沖-排渣-過濾的循環模式.首先將待過濾的磷酸打入過濾器下桶體，磷酸透過濾芯進入上桶體，固體雜質被截留在濾膜表面，形成濾餅，上層清澈的磷酸溢流進入儲罐.接下來以數秒的時間排液形成負壓，使上桶體清液反流將濾餅全部從濾膜表面沖洗落下，當脫落下的濾餅在過濾器底部沉積達到一定量時被迅速排出.這樣一次循環結束接著進入下一循環.

2) 濾膜(2#，3#，6#，9#)，其規格與型號如表1所示.

表1 不同型號濾膜的規格Table 1 Different types of filter membrane μm

圖1 自動反洗表面過濾器結構Fig.1 The structure of automatic backwash surface filter注： 1為上桶體；2為全自動集成控制器；3為空氣壓縮機；4為下桶體；5為氣控撓性閥門

1.2 試驗原料

濕法稀磷酸(某公司產磷酸)，其組分分析數據如表2所示.

表2 稀磷酸多組分分析Table 2 Multicomponent analysis of phosphoric acid %

注：SS為酸不溶物.

2 試驗步驟

1) 按自動反洗表面過濾器的操作規程連接試驗裝置進行試驗.

2) 按照中試實驗記錄表要求，記錄裝置的運行參數(包括運行時間、過濾時間、反沖時間以及排渣時間)，試驗時間、濾膜的型號、試驗溫度、流量.

3) 樣品檢驗，檢測樣品的色度 (注：色度的檢測步驟為：取25 mL酸液，稀釋至100 mL，設定去離子水的吸光度為0 A，在426 nm處測其吸光度，用該波長處的吸光度值表示酸液的色度).

3 試驗結果與分析

3.1 不同表面材質的濾膜對濕法磷酸脫色運行周期的影響

自動反洗表面過濾器試驗裝置安裝在磷酸罐區，原料為磷酸罐區澄清槽稀磷酸，連續運行自動反洗表面過濾器試驗裝置96 h，試驗流程如圖2所示.試驗期間，驗證了自動反洗表面過濾器用于濕法磷酸脫色的可行性，測試了不同材質的濾膜對濕法磷酸脫色運行周期的影響.

圖2 磷酸罐區澄清槽稀磷酸脫色試驗工藝流程Fig.2 The flow chart of decolorization test of phosphoric acid in settler of Phosphoric acid tank

所采用濾膜分別為表面粗糙的2#濾膜和表面光滑的6#濾膜.采用兩種濾膜進行脫色試驗，圖3為試驗前與試驗后的磷酸顏色變化，圖3中的現象表明：過濾后的濕法磷酸的顏色均較過濾前的濕法磷酸顏色明顯變淺，說明采用自動反洗表面過濾器過濾磷酸，脫色效果明顯.

圖4中的現象表明： 2#濾膜材質粗糙，可連續運行7 h ，沖洗時不易脫餅導致濾膜表面結垢現象嚴重，導致了濾膜運行時間較短；6#濾膜表面比較光滑，連續運行24 h后，濾膜表面垢層容易沖洗，可重復使用，考慮到濕法磷酸脫色過程中，濾膜材質會對濾膜的使用周期產生影響，建議使用表面光滑的濾膜材質.

圖3 過濾前后稀磷酸的顏色變化Fig.3 The color change of before and after filtration of phosphoric acid注： 圖中從左至右依次為2#濾膜脫色前磷酸；2#濾膜脫色后磷酸；6#濾膜脫色前磷酸；6#濾膜脫色后磷酸

3.2 不同孔徑的濾膜對脫色效果的影響

自動反洗表面過濾器試驗裝置安裝在磷酸罐區，原料為磷酸罐區澄清槽稀磷酸，連續運行自動反洗表面過濾器試驗裝置96 h，脫色工藝流程圖如圖2所示.試驗期間，測試了表面光滑但孔徑不同的3種濾膜的連續運行時間，比較了這3種濾膜的脫色效果，脫色試驗結果如表3所示.

圖4 2#濾膜和6#濾膜結垢現象對比Fig.4 The comparison of fouling phenomenon of filter membrane 2# and filter membrane 6#注： 圖中左邊濾柱上采用的濾膜為2#濾膜(連續運行7 h)；右邊濾柱上采用濾膜為6#濾膜(連續運行24 h)

濾膜孔徑/μm平均進液流量/L·s-1平均出液流量/L·s-1環境溫度/℃運行時間/h3#濾膜38～480．0430．0526～7156#濾膜38～480．0430．0558～12249#濾膜1060．0430．0527～824

從表3可知，3#、6#和9#濾膜的孔徑依次變大， 3#、6#和9#濾膜表面光滑，但3#濾膜較6#濾膜厚.從表3中可知，3#濾膜可連續運行15 h，6#和9#濾膜可連續運行24 h，說明自動反洗表面過濾器的運行時間與濾膜孔徑和濾膜厚度有關系，即濾膜薄且孔徑越大，其連續運行時間越長.

3#和6#濾膜過濾后的酸液前后顏色變化比9#濾膜過濾后的酸液前后顏色變化大，如圖5所示.說明濾膜孔徑越小，過濾后的磷酸顏色越淺，其原因是濾膜的孔徑越小，截留在濾膜表面的固體顆粒物越多，透過濾膜的磷酸顏色就越淺.

圖5 不同孔徑的濾膜過濾前后酸液對比圖Fig.5 The comparison of before and after filtration of phosphoric acid with different aperture of filter membrane注： 從左至右依次為3#、6#、9#濾膜過濾前后酸液

采用6#濾膜脫色運行的最初3個小時內色度變化如圖6所示.

圖6表明過濾后磷酸的色度值隨過濾時間的增長逐漸變小，最后其色度趨于穩定，究其原因為過濾之初會有一些細小黑色固體顆粒穿過濾膜導致酸液顏色較深，過濾開始后顆粒會在孔道中迅速發生“架橋現象”，可攔截直徑小于孔道的細小顆粒，使濾液變得澄清.

圖6 6#濾膜運行的最初3個小時內色度變化圖Fig.6 The chromaticity comparison of filter membrane 6# in the first 3 hours注： 圖中0 min時磷酸為過濾前磷酸

3.3 磷石膏預涂濾膜對脫色效果的影響

自動反洗表面過濾器試驗裝置安裝在磷酸罐區，原料為磷酸罐區澄清槽稀磷酸，連續運行自動反洗表面過濾器試驗裝置24 h.本階段試驗在過濾時添加了少量粉末狀磷石膏預涂濾膜.試驗流程如圖7所示.

從圖8中可看出，添加磷石膏預涂濾膜后進行過濾，稀磷酸顏色比未添加磷石膏預涂的稀磷酸顏色淺，其原因是磷石膏預涂在濾膜表面，磷石膏會在孔道中迅速發生“架橋現象”，截住直徑小于孔道的細小顆粒.

圖7 磷酸罐區澄清槽稀磷酸脫色試驗流程Fig.7 The flow chart of decolorization test of phosphoric acid in settler of Phosphoric acid tank

圖8 未添加磷石膏預涂膜和添加磷石膏預涂膜后濾酸對比圖Fig.8 The comparison of filter acid with precoat before and after注： 從左至右依次為6#濾膜預涂磷石膏過濾、6#濾膜過濾后的磷酸溶液

4 試驗結論

通過本次濕法磷酸過濾脫色擴大性連續試驗，我們可以得出以下結論：

1) 自動反洗表面過濾器可以脫除濕法磷酸中的黑色顆粒狀物質，技術上可行.

2) 自動反洗表面過濾器所用濾膜材質應首選表面光滑易清理的濾膜.

3) 本次試驗選用了孔徑大小不同的4種濾膜，試驗結果表明：濾膜的孔徑大小影響過濾后的稀磷酸的顏色，濾膜孔徑越小，過濾出來的稀磷酸顏色越淺；濾膜孔徑越小，濾膜的連續運行時間變短.綜合考慮，建議使用6#濾膜.

4) 濾膜預涂后，稀酸過濾效果更好.

致謝

衷心感謝陜西金禹科技發展有限公司提供的實驗設備.

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