磷石膏主要元素及其分布特點分析

吳吉玲

（內(nèi)蒙古大地云天化工有限公司研發(fā)中心，內(nèi)蒙古 赤峰 024070）

在磷石膏中，存在著多種微量元素，它們具有一定的潛在價值，也會對環(huán)境造成一定的影響，所以，對磷石膏進行微量元素分析，并明確其分布規(guī)律具有重要的意義。

1 實驗部分

1.1 原料試劑與儀器

原料：新鮮磷石膏、磷石膏（堆存1~4 年）。新鮮磷石膏從石膏運送帶中采集，通過間隔采樣法，收集0.5 kg，分為20 次采集。磷石膏（堆存1~4 年），從磷石膏渣場采集，通過多點采樣混合法進行，一共收集5 個分樣，混合成為一個樣品；對各樣點進行編號、詳細記錄采樣信息，用干凈的封口袋密封，防止受到光照。

試劑：高氯酸，氫氟酸，硝酸，鹽酸。

儀器與設(shè)備:聚乙烯坩堝，電子天平，電熱板，50 mL 容量瓶，洗瓶，二移液管（2 mL、5mL、10 mL）。

1.2 實驗方法

1）磷石膏主要元素的預(yù)處理方法。稱0.1g 磷石膏，加入8~10mL 氫氟酸、2mL 高氯酸。加入聚乙烯坩堝中，放置在電熱板上，一直到近干為止。用少量的水，沖洗內(nèi)壁。再次加入3mL 高氯酸進行加熱，待近干、潮濕糊狀為止。稍冷后加入5 mL 鹽酸，用適量水對內(nèi)壁進行沖洗。對鹽類進行加熱，溶解冷卻，將其收集在容量瓶中。用HNO3進行定容，保持50 mL，待測。

2）磷石膏F 元素的預(yù)處理方法。稱取0.2g過篩樣品，和2gNaOH 收集在50mL 鎳坩堝中。用高溫電爐進行加熱，從低溫逐漸加熱，溫度為550~570℃時，保持20 min。冷卻之后，用煮沸的熱水（50mL）多次浸取，一直到完全溶解。轉(zhuǎn)入容量瓶（100mL），緩慢加入鹽酸（5mL），均勻搖動。等冷卻后，加水至標線，搖勻，靜置澄清，待測。

3）磷石膏I 元素的預(yù)處理方法。稱1.00~1.50 g 樣品，放置在預(yù)先盛有碳酸納-氧化鋅混合溶劑(6g)的坩堝中。用細玻璃棒混勻，用2g 混合溶劑進行覆蓋。坩堝放在高溫爐中，將溫度升到750℃，維持30 min。將坩堝取出冷卻，將熔塊壓碎，倒在燒杯（250mL）中，用熱水沖洗坩堝。滴入5~10 滴乙醇，一直攪拌，加熱至沸騰為止。冷卻到室溫，溶液、殘渣移入容量瓶（100mL）中，由水稀釋到刻度，混勻過濾。將20 mL 濾液加入到容量瓶中，用無水亞硫酸鈉溶液（0.5mL）、氟化鈉溶液（2.0mL）、二滴溴甲酚綠指示液進行中和。溶液呈黃色，搖動，除去二氧化碳。加入氫氧化鈉溶液，將溶液調(diào)節(jié)為藍綠色。添加檸檬酸檸檬酸鈉緩沖溶液（2 mL），加水稀釋到刻度線，搖勻，置于干燥的燒杯。

本實驗應(yīng)用平行樣品、標準物質(zhì)進行質(zhì)量控制，回收率超過50.00%。

1.3 測試方法

1）ICP-MS：Cr、Co、Ti、Sr、Cd、Ni、Pb；2）ICP-AES：K、Fe、As、Zn；3）AAS：Mg、Na；4）電極法：I、F。

2 結(jié)果與討論

2.1 磷石膏中主要元素的分布規(guī)律

在磷石膏中，主要元素的分布規(guī)律為：

1）K、Fe、Mg、Cr、As、Zn、F 等元素，隨堆存時間增加，流失量也增加，流失率為69.2%~100.00%。新鮮磷石膏堆存一年之后，Zn、Mg、Cr 元素幾乎完全流失。

2）堆存時間增加，Na、Co、Pb、Sr 含量下降幅度不大，流失量比較小。

3）Ti、Ni 的含量在堆存中沒有明顯變化，表現(xiàn)為略微升高的趨勢。

4）Cd、I 幾乎沒有檢測到，也沒有呈現(xiàn)相應(yīng)的規(guī)律。

2.2 元素隨堆存時間發(fā)生變化的原因

1）在磷礦石中，K 的存在形式為K2O、KCO3。K 與氟化物、二氧化硅發(fā)生反應(yīng)后，會形成K2SiF6，微溶于水，溶于酸。K2SiF6在熱水中，經(jīng)過水解，形成KF、HF，以及H4SiO4。在KF中，K 的存在形式為離子狀態(tài)。在磷石膏中，K含量會跟著堆存時間的增長而不斷減少。

在磷礦石中，F(xiàn)e、Zn 元素的存在形式為固體形態(tài)，以Fe2O3、ZnS 為主。它們與硫酸、磷酸可以發(fā)生化學反應(yīng)，得到FePO4、ZnSO4、Fe2(SO）4。Fe、Zn 元素以Fe3+、Zn2+形態(tài)存在于磷石膏中，很容易流失。因此，其含量也會跟著磷石膏堆存時間的增加而減少。

在磷礦石中，As 的存在形式為砷化物、砷酸鹽。在砷酸鹽中，堿金屬砷酸鹽能夠溶于水，其他的砷酸鹽不溶于水。經(jīng)過磷石膏的不斷堆存，砷酸鹽會隨著物理水而不斷流失，As 也會不斷流失。除此之外，不溶于水的金屬砷酸鹽會逐漸沉淀，進而保存下，但部分的As 也會不斷流失。

在磷礦石中，Mg 的存在形式為MgCO3。在濕法磷酸中，經(jīng)過化學反應(yīng)，會生成Mg(H2PO4）2、MgSO4。二者均易溶于水，且容易流失。在堆存一年后，Mg 的檢測含量明顯少于新鮮磷石膏的含量，流失率約為92.5%。堆存兩年后，在磷石膏中，幾乎沒有測定出Mg。兩年磷石膏堆，壓于堆存三年的磷石膏上，多數(shù)Mg2+會進入到堆存三年后的磷石膏中，因此，在堆存三年后的磷石膏中，會檢測到一定量的Mg2+。經(jīng)過四年的堆存，在磷石膏中，沒有檢測到Mg，或許是堆存了太長的時間，使Mg2+幾乎全部流失。

在強酸的作用下，Cr 礦物會轉(zhuǎn)化成為Cr3+，具有可溶性。在反應(yīng)過程中，一些Cr3+隨著稀酸會進入磷石膏，一些會流失。在堆存3 年、4 年的樣品中，未能檢測到Cr。經(jīng)過分析，可能受到了堆積時間的影響，在雨水等諸多的原因影響下逐漸流失。

在磷礦石中，F(xiàn) 元素的存在形式為氟化物。與硫酸、二氧化硅會發(fā)生反應(yīng)，進而生成H2SiF6。與K2O 反應(yīng)后，會生成的K2SiF6。氟化物與硫酸進行反應(yīng)的過程中，會釋放大量的熱。在熱水中，在水解的作用下，會生成KF、HF 以及H4SiO4。前兩者具有易溶性，在堆存一年磷石膏中，與新鮮磷石膏相比，F(xiàn) 的含量明顯減少。堆存一年后，在磷石膏中，一些F 會流失在堆存兩年磷石膏中。在堆存兩年磷石膏中，檢測的F 含量低于堆存一年磷石膏。在堆存三年磷石膏中，一些F 會流失于堆存四年磷石膏中。在堆存三年磷石膏中，檢測的F 含量低于堆存四年的磷石膏。

2）堆存一年磷石膏與新鮮的磷石膏中相比，Na 的含量明顯較高。在新鮮磷的石膏中，由于存在較多的物理水，經(jīng)過堆存一年后，在水分的不斷流失下，Na 的濃度會逐漸增加。在磷礦石中，Na 的存在形式為NaCl、NaNO3等。在濃硫酸的影響下，它與氟化物、二氧化硅會生成Na2SiF6。在磷石膏的堆存中，Na 不易流失。在磷礦石中，Co、Sr 及Pb 的存在形式為CoS、SrCO3、PbS，它們與濃硫酸反應(yīng)之后，會生成SrSO4、赤礬。赤礬溶于水，且密度大于水。在磷石膏堆存中，在礬的沉積下，Co 也會保留下來。在空氣中，赤礬會被風化。在磷石膏中，Co 會得到一定的保存。由于CoSO4具有可溶性，根據(jù)物理水的流失也會不斷流失，但Co 的減少量不明顯，變化不大。因為PbSO4、SrSO4的溶解度十分低，微溶于水，所以，Sr2+、Pb2+可以檢測到。由于物理水的流失，也會跟著流失，不過，大部分Sr 可以保存在磷石膏中，其流失性大于保持性，Sr、Pb 的含量會稍微減少，變化不明顯。

3）在磷礦石中，Ti 的存在形式為TiO2，與濃硫酸反應(yīng)之后，會出現(xiàn)TiOSO4·H2O。由于四價鈦離子的與水之間發(fā)生反應(yīng)，得到不溶于水的H2TiO3。在磷礦石中，Ni 的存在形式為NiS、NiA等，與濃硫酸發(fā)生反應(yīng)之后，可以生成NiSO4、NiSO4；與堿金屬硫酸鹽結(jié)合，會形成礬Mi2Ni(SO4）2·6H2O，溶于水，密度大于水。在磷石膏堆存的過程中，Ni 會保留下來。這種物質(zhì)不會隨水流失，在磷石膏中，其他的易溶元素會流失，進而增加Ti、Ni 的含量。因此，在磷石膏中，含量會相對增加，但變化不明顯。

4）在磷礦石中，Cd 的含量較低。當磷礦石、濃硫酸進行反應(yīng)的過程中，多數(shù)Cd 會進入到磷酸中。不管在新鮮，還是堆存許久的磷石膏中，都沒有檢測出來。在磷石膏中，幾乎沒有檢測到I。可以認為，在磷礦石中，I 的存在是微量的；通過磷礦石、濃硫酸的反應(yīng)，幾乎進入了磷酸中：一部分揮發(fā)，一部分進入到了碘回收裝置，大部分I 被回收。因此，在磷石膏中，I 的含量很低，很難檢測出來。

3 結(jié)論

K、Fe、Mg、Cr、As、Zn、F 等元素，比較容易流失，流失率約為69.2%~100.00%；Ti、Ni的升高幅度較小;Na、Co、Sr、Pb 下降幅度較小。在磷石膏中，I、Cd 沒有被檢測出來，也沒有總結(jié)出一定的規(guī)律。

K、Fe、Zn、Mg 以及Cr 相關(guān)的化合物，可以與硫酸發(fā)生化學反應(yīng)，進而得到易溶離子，且易流失。因為AS 生成了溶于水的堿金屬砷酸鹽，所以，就會不斷流失。在磷石膏中，F(xiàn) 以F-存在著，隨水流失也會流失；Ni 的生成密度明顯高于水的礬Mi2Ni(SO4)26H2O，Ti、Ni 的含量會因為生成物的沉淀以及其它元素的流失而相對增加；在磷石膏中，Ti 會水解，得到H2TiO3，且難溶于水；在磷石膏中，Na 會生成Na2SiF6，且難溶于水，赤礬的生成密度比水大，且易風化的。在磷石膏中，在磷石膏中，Cd、I 的含量比檢測值低。Pb 的存在形式為SrSO4、PbSO4，流失量比沉淀量略大。