不同離子型聚丙烯酰胺在濕法磷酸生產中的應用研究

李建聞，解 秘，朱桂華，2

（1.云南磷化集團有限公司，云南 昆明 650600；2.國家磷資源開發利用工程技術研究中心，云南 昆明 650600）

聚丙烯酰胺（簡稱PAM）是一種由丙烯酰胺聚合成的水溶性高分子物質，按其電荷性質可分為陰離子型聚丙烯酰胺、陽離子型聚丙烯酰胺、非離子型聚丙烯酰胺、兩性離子型聚丙烯酰胺4 種［1］。聚丙烯酰胺在各個行業應用廣泛，可應用于濃密、助濾、澄清、脫色、阻垢、分散等領域［2］。濕法磷酸生產目前大多采用二水法工藝，其生產過程包括礦漿濃密、酸解、過濾等工序［3］，磷酸的生產對礦漿濃度要求較高，一般要求礦漿w（固）≥60%，采用自然沉降無法達到要求，需要使用濃密助劑提升沉降速率和濃密效果；由于磷石膏晶體顆粒較細，反應料漿過濾過程容易造成濾布堵塞，磷石膏水、磷含量較高，過濾速率較慢等問題，直接過濾無法滿足過濾磷石膏w（水溶磷）≤0.25%、w（游離水）≤30%的生產要求，因此需要采用助劑增大磷石膏結晶，提升過濾效果［4-8］。

通過將不同離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑應用在濕法磷酸生產的礦漿濃密、反應料漿過濾過程，探究不同離子型聚丙烯酰胺在磷礦漿濃密、磷酸反應料漿過濾工序的應用效果及適用性，為濕法磷酸生產提供高效助劑以提高濕法磷酸生產效率。

1 實驗部分

1.1 實驗原料及用具

實驗原料：濃密前磷礦漿（w（固）為55%），萃取工序反應料漿，陽離子型、陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺。

實驗用具：燒杯、量筒、玻璃棒、膠頭滴管、溫度計、布氏漏斗、抽濾瓶、三口燒瓶、氣泵、SHZ—D（Ⅲ）型循環水式真空泵、濾紙、恒溫水浴鍋、直尺。

1.2 實驗方法

分別將不同絮凝劑樣品配制成質量分數為0.1%的溶液，在磷礦漿濃密和磷酸反應料漿過濾工序進行應用，實驗過程控制絮凝劑用量、濃度，溫度，真空度，沉降和過濾時間等條件相同，探究不同離子型聚丙烯酰胺在該過程中的應用效果。

1.2.1 磷礦漿濃密實驗

在磷酸生產現場濃密機上抽取濃密前的磷礦漿；將絮凝劑配制成質量分數為0.1%的溶液；取150.0 g磷礦漿放入500 mL量筒中，加入400.0 g清水，將磷礦漿稀釋到w（固）15%；加入3.3 g配制好的絮凝劑溶液，均勻搖晃5 s 后讓磷礦漿自然沉降；用直尺測量不同時間上層清液高度并做記錄。用膠頭滴管分別在上層清液的1/3、1/2、2/3處取樣混合后分析固含量。取不同離子型聚丙烯酰胺樣品作絮凝劑按以上步驟進行實驗。

1.2.2 磷酸反應料漿過濾實驗

將絮凝劑配制成質量分數為0.1%的溶液；取600.0 g反應料漿于燒杯中，加入17.0 g配制好的絮凝劑；攪拌均勻后用布氏漏斗進行抽濾，抽濾完后用工藝水洗滌3次。抽濾真空度采用氣泵調節，控制在0.04 MPa（實際操作以可調節值為準，所有實驗統一真空度），抽濾時間為3 min；洗滌時間為3 min，每次洗水用量為150.0 g，洗水溫度為50 ～60 ℃。抽濾完后取濾餅樣分析游離水含量和水溶磷含量。取不同離子型聚丙烯酰胺作絮凝劑按以上步驟進行實驗。

2 結果與討論

2.1 磷礦漿濃密實驗

使用陽離子型、陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑分別開展3組實驗，以探究不同離子型聚丙烯酰胺對磷礦漿濃密的影響，結果如圖1所示。

圖1 不同離子型聚丙烯酰胺濃密實驗沉降速率變化

由圖1可知，在磷礦漿濃密過程使用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，磷礦顆粒初始沉降速率最快，且最先達到沉降平衡；而使用陽離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑沉降速率最慢，需較長時間才能達到沉降平衡。

各組實驗沉降10 min后均達到沉降平衡，平衡圖如圖2所示。

圖2 磷礦漿濃密實驗沉降平衡圖

由圖2計算出使用不同離子型聚丙烯酰胺進行磷礦漿濃密的沉降比，結果如表1所示。

表1 不同離子型聚丙烯酰胺作絮凝劑磷礦漿濃密沉降比

由表1可知，非離子型聚丙烯酰胺用于磷礦漿濃密時沉降比最低，磷礦沉降性能最好，濃密后的磷礦漿濃度最高，濃密效果最佳；而陽離子型聚丙烯酰胺用于磷礦漿濃密時沉降比最高，濃密效果最差。

對各組實驗上層清液固含量進行檢測，結果如表2所示。

表2 各組實驗上層清液w（固）

由表2 可知，3 種離子型聚丙烯酰胺用于磷礦漿濃密，沉降后上層清液固含量均較低；其中陽離子型和非離子型聚丙烯酰胺能夠使沉降后上層清液w（固）低于0.01%，澄清效果較好，在實際生產應用中可減少磷礦損失，對于節約磷資源、降低磷酸生產成本意義重大。

綜上所述，磷礦漿濃密過程使用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，磷礦顆粒沉降速率最快，濃密后的礦漿濃度最高，上層清液固含量較低。在濕法磷酸生產過程使用非離子型聚丙烯酰胺不僅可以提高生產效率，還可以降低生產成本。

2.2 磷酸反應料漿過濾實驗

使用陽離子型、陰離子型、非離子型聚丙烯酰胺分別開展3組實驗，以探究不同離子型聚丙烯酰胺對磷酸反應料漿過濾濾餅（磷石膏）水溶磷和游離水含量的影響，結果如表3所示。

表3 磷酸反應料漿過濾實驗濾餅檢測結果

表3 數據顯示，3 種離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑過濾效果存在一定差異。使用陽離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑，濾餅w（水溶磷）≥0.1%，w（游離水）≥25%；使用陰離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑，濾餅w（水溶磷）≤0.06%，w（游離水）約為22%；使用非離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑，濾餅w（水溶磷）為0.08%～0.09%，w（游離水）約為24%。由此可知，3 種離子型聚丙烯酰胺均能使磷酸反應料漿過濾后濾餅w（水溶磷）＜0.25%、w（游離水）＜30%，其中陰離子型聚丙烯酰胺助濾效果最好，能大大降低磷石膏中的水溶磷和游離水含量，達到減少磷資源損失、降低生產成本的目的。

3 裝置生產性試驗

選用小試實驗效果最好的非離子型和陰離子型聚丙烯酰胺分別在濕法磷酸生產的濃密和過濾工序開展72 h連續性生產試驗。試驗過程均按生產流程進行操作，將聚丙烯酰胺配制成質量分數為0.1%的溶液，濃密工序按每噸干基礦40 g 的用量加入，過濾工序按每噸P2O5120 g 的用量加入，控制其他條件滿足生產操作要求進行連續性生產試驗。結果顯示，磷礦漿濃密裝置使用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，濃密機底流密度可維持在1.70 t/m3以上，濃密礦漿w（固）為62% ～ 64%，達到濕法磷酸生產要求；在磷酸反應料漿過濾工序使用陰離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑，過濾后的磷石膏w（水溶磷）為0.10% ～ 0.18%，w（游離水）為24% ～27%，均優于生產控制指標。

4 結論

（1）磷礦漿濃密過程使用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，磷礦顆粒沉降速率最快，濃密后的礦漿w（固）最高，上層清液w（固）較低。在濕法磷酸生產過程中使用非離子型聚丙烯酰胺作磷礦漿濃密工序絮凝劑，不僅可以提高生產效率，還可以降低生產成本。

（2）陽離子型、陰離子型和非離子型3種離子型聚丙烯酰胺均能使磷酸反應料漿過濾石膏w（水溶磷）＜0.25%、w（游離水）＜30%，其中陰離子型聚丙烯酰胺助濾效果最好，能大大降低磷石膏中的水溶磷和游離水含量，達到減少磷資源損失、降低生產成本的目的。

（3）在實際生產過程中，磷礦漿濃密裝置使用非離子型聚丙烯酰胺作為絮凝劑，濃密機底流密度可維持在1.70 t/m3以上，濃密礦漿w（固）為62%～64%，達到濕法磷酸生產要求；在磷酸反應料漿過濾裝置使用陰離子型聚丙烯酰胺作為助濾劑，過濾后的磷石膏w（水溶磷）為0.10% ～ 0.18%，w（游離水）為24%～27%，均優于生產控制指標。