利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸

李凌成

摘 要： 目的研究利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸，系統的研究硫酸的用量、反應時間和攪拌時間對氫氟酸質量分數影響，避免廢氣對環境造成危害。方法采用電化學手段制備氫氟酸。結果通過試驗得到了利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸的工藝條件，即硫酸用量24.00g，反應時間維持在40分鐘，攪拌速率每分鐘控制在350轉。在這樣的工藝條件下，利用2000ml的磷化工含氟廢氣可制備出21.5%的氫氟酸。結論利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸能夠很好的將含氟廢氣中的氟提取出來，生成物對環境危害較小，在今后工業生產有著較高的利用價值，值得進一步推廣應用。

關鍵詞：磷化工含氟廢氣 氫氟酸 制備

中圖分類號：X78 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2017）02-0280-01

在磷化工領域，含磷的礦石原料被強酸分解后，氟元素在蒸汽中以四氟化硅和氫氟酸氣體的形式存在。含氟的氣體具有強烈的腐蝕性，人體吸入少量含氟氣體后會感到強烈的不適，吸入過量會造成中毒身亡。磷化工含氟廢氣如果不進行合理回收，其和水接觸之后，會污染水系，影響植物健康生長。現階段我國磷化工尾氣氟排放標準為每立方米9mg，但是實際排放量往往會超標。近些年，隨著人們環保意識逐漸提高，對廢氣污染的認識越來越高。現階段我國磷化工含氟廢氣回收率較低，針對這種情況我們研究了一種從磷化工含氟廢氣回收氟元素，利用生成的氟化鈣制備氫氟酸的方法，現將研究內容報告如下：

一、實驗材料和方法

1.試驗材料選取

本次研究過程中選擇使用氨水、氫氧化鈣、濃硫酸。這些試劑均由實驗室提供。磷化工含氟廢氣主要是利用實驗室磷礦自制，其中氟化硅和氫氟酸的比例為1：2。儀器包含了電子恒溫水浴鍋、電熱鼓風干燥箱、PF-1氟離子選擇性電極、甘汞電極和鉛制燒杯。

2.實驗原理

磷化工含氟廢氣中的氟化硅和氫氟酸發生化學反應物生成氟硅酸，然后氟硅酸和氨水反應生成氟化銨和二氧化硅，通過過濾出去二氧化硅，濾液中的氟化銨和氫氧化鈣反應生成氟化鈣和水，最后使用硫酸和氟化鈣反應制備氫氟酸。整個反應化學方程式如下（未配平）：

SiF4+HF=H2SiF6

H2SiF6+NH3·H2O=NH4F+SiO2

NH4F+Ca（OH）2=CaF2+NH3·H2O

CaF2+H2SO4=CaSO4+HF

3.試驗方法

首先，將收集到的磷化工含氟廢氣通入到一定量的氨水中，經過充分反應之后將溶液中的二氧化硅沉淀過濾；其次，將過濾液放置于恒溫的水浴鍋中，適當調節其溫度，向濾液中添加適量的氫氧化鈣溶液，反應完畢后將溶液蒸干，得到氟化鈣；再次，將配置好的氟化鈣溶液放置于鉛制燒杯中，用油浴鍋加熱，并向其中添加硫酸溶液，并迅速將其密封好，將反應生成的氟化氫氣體中導入到存有聚四氟乙烯的收集瓶中；最后，對最后制備的氫氟酸氣體用電化學分析法對其分數進行測定。

二、結果分析

1.硫酸用量對氫氟酸質量分數的影響

工藝條件為反應時間60分鐘，攪拌速率為每分鐘300轉，考察硫酸用量對氫氟酸質量分數產生的影響。詳細情況見表1所示。

通過對表1數據分析發現，隨著硫酸用量不斷加大，氫氟酸質量分數先增大后減小。在整個反應體系中，由于硫酸和氟化鈣反應不斷進行，所產生的氫氟酸也會越來越多，所以氫氟酸質量分數會逐漸升高，當硫酸用量達到24.00g后，氫氟酸質量分數達到最高，隨后隨著硫酸量不斷增加，反應體系所釋放的熱能也有所增加，參與反應的硫酸量也會逐漸降低，因此，氫氟酸質量分數會顯著下降，由此可以確定最佳的硫酸添加量為24.00g為宜。

2.反應時間對氫氟酸質量分數的影響

工藝條件為濃硫酸量為24.00g，攪拌速率為每分鐘300轉，考察反應時間對氫氟酸質量分數產生的影響。詳細情況見表2所示。

通過表2數據分析可以發現，當反應時間少于40分鐘時，反應時間對中氫氟酸質量分數的影響較為顯著，隨著反應時間的增加，氫氟酸質量分數逐漸增加。出現這種現象主要是因為生成的硫酸鈣會包裹在氟化鈣表面阻止化學反應的進行，只有通過外力不斷攪拌，才能保證氟化鈣和硫酸充分的接觸。當反應時間超過40分鐘后，反應時間對氫氟酸質量分數的影響較小，這是因為反應時間較長，硫酸已經和氟化鈣充分反應，所以氫氟酸質量分數幾乎不會發生變化，因此整個反應時間選擇40分為宜。

3.攪拌速率對氫氟酸質量分數的影響

在本次研究的反應體系中氟化鈣硫酸反應后生成的生成物硫酸鈣具有較強的附著能力，因此在反應過程中必須不斷其進行攪拌，加速反應速率。工藝條件為濃硫酸量為24.00g，反應時間為40分鐘，考察攪拌速率對氫氟酸質量分數產生的影響。詳細情況見表3所示。

通過對表3數據進行分析發現，當攪拌速度小于每分鐘350轉之后，氫氟酸質量分數較低，出現這種情況主要是因為濃硫酸包裹在氟化鈣表面未充分到反應，所以氫氟酸質量分數較低，當攪拌速度為每分鐘350轉后，氫氟酸質量分數達到最大值，再增加速率，氫氟酸質量分數基本維持不變，這主要是因為當達到一定轉速后反應物能夠充分接觸，因此適宜的攪拌速率應該維持在每分鐘350轉。

三、結論

在硫酸用量在24.00g， 反應時間維持在40分鐘，攪拌速率每分鐘控制在350轉的工藝條件下，利用2000ml的磷化工含氟廢氣可制備出21.5%的氫氟酸。利用磷化工含氟廢氣制備氫氟酸能夠很好的將含氟廢氣中的氟提取出來，生成物對環境危害較小，在今后工業生產有著較高的利用價值，值得進一步推廣應用。

參考文獻

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