发明内容:
本发明的原理:
1.二水石膏CaSO4·2H2O以浓硫酸反应,得到Ca(HSO4)2,提高反应物的瞬间水溶解度和水电离度;
2.一倍的Ca(HSO4)2与4倍NaOH/KOH反应,有微溶于水的Ca(OH)2和H2O生成,化学反应能够完全、彻底;生成氢氧化钙Ca(OH)2和H2O是放热反应,加速反应进程;反应温度越高,氢氧化钙Ca(OH)2水溶解度越低;
3.反应物体系中有Ca(HSO4)2瞬间完全电离的Ca2+、2H+、2SO4 2-和4Na+/4K+、4OH-离子;阳离子有Ca2+、2H+、4Na+/4K+,阴离子有2SO4 2-、4OH-;以NaOH为例,KOH与Ca(HSO4)2的反应原理相同;
有:2H++2OH-=2H2O,4Na++2SO4 2-=2Na2SO4,
Ca2++2OH-=Ca(OH)2;虽有Ca2++SO4 2-=CaSO4的趋势和可能,但2OH-也与水中电离的Ca2+结合,而与SO4 2-形成强烈和压倒的竞争关系;即使有少量的CaSO4生成,但CaSO4/CaSO4·2H2O/CaSO4·1/2H2O的水溶解度都比Ca(OH)2水溶解度大,所以绝对过量的2OH-又与CaSO4在水中电离的Ca2+结合生成更难溶解于水的Ca(OH)2,这样过量的SO4 2-又与过量的2Na+结合成硫酸钠Na2SO4,所以最终的反应产物仍是Na2SO4和Ca(OH)2;设计4倍NaOH/KOH与1倍Ca(HSO4)2反应,并将水作为反应产物,将化学能转变为热能,既节约能源,又使反应更彻底、迅速。NaOH/KOH溶于水也产生大量的热能;Ca(HSO4)2生成Ca(OH)2也是放热反应;
4、在实际工业生产中,当完全溶解于水的总量4NaOH/4KOH水溶液一次性投入反应时,分次加入反应的Ca(HSO4)2在4NaOH/4KOH水溶液中电离,2OH-的浓度远远大于SO4 2-的浓度;这样,2OH-与Ca2+结合对SO4 2-与Ca2+结合形成绝对优势的竞争关系,生成更加稳定难溶的氢氧化钙Ca(OH)2;反应过程中的中间反应,Ca2++SO4 2-=CaSO4的机会很少,因为少量的SO4 2-总是被大量的绝对优势的2OH-包围;即使有少量的CaSO4或石膏生成,但在绝对过量的强碱性的4NaOH/4KOH反应体系中,其最终产物仍是Na2SO4/K2SO4和Ca(OH)2及水。
5、Ca(OH)2的水溶解度:(g/100g水)
0℃、0.18g/10℃、0.17g/20℃、0.16g/30℃、0.15g/40℃、0.14g/50℃、0.13g/60℃、0.12g/70℃、0.105g/80℃、0.095g/90℃、0.08g/100℃、0.07g/。
6、CaSO4·2H2O的水溶解度:(g/100g水)
0℃、0.1759/10℃、0.1928/30℃、0.2090/40℃、0.2097/50℃、0.2038/70℃、0.1968/100℃、0.1619/。CaSO4/CaSO4·1/2H2O的水溶解度比CaSO4·2H2O的水溶解度大。
7、Na2SO4水溶解度(g/100g水)
8、K2SO4水溶解度(g/100g水)
9、氟化钠NaF水溶解度(g/100g水)
10℃3.66、20℃4.06、30℃4.22、40℃4.4、60℃4.68、80℃4.89、100℃5.08
10、氟化钾KF水溶解度(g/100g水)
磷酸氢钙Ca HPO4易溶于稀盐酸、稀硝酸、醋酸,微溶于水(100℃,0.025%)。
本发明的石膏CaSO4与浓H2SO4反应步骤、及其与硫酸氢钙Ca(HSO4)2和NaOH或KOH水溶液反应步骤的组合是本发明的核心技术即创新必要技术特征。
本发明所采用的技术方案是:
(1)磷石膏废渣的分离回收:
磷石膏废渣主要包括:CaSO4·2H2O、SiO2、H3PO4、褐铁矿FeO(OH).n H2O和磷灰石Ca5F(PO4)3,及少量的氟化钙和微量的水溶性氟化物(氟化钠);对此废渣,在真空条件下,常温或加热搅拌,脱水干燥,再用50目-100目筛网过滤大颗粒磷灰石,磷灰石在工业磷酸二氢铵(磷酸一铵)生产中循环利用:
一、在常温下,将磷石膏废渣加入相对于石膏CaSO4稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应,转速50转/分-150转/分,
反应时间8小时-24小时;使石膏生成Ca(HSO4)2;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应式:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
2NaF+浓H2SO4=Na2SO4+2HF;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
二、在常温或以上温度下,将上述(一)中的生成物按比例一次或分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2和二氧化硅SiO2配比稍微过量的NaOH或KOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4NaOH=2Na2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
Ca(HSO4)2+4KOH=2K2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;
SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O;
H3PO4+3KOH=K3PO4+3H2O;
H3PO4+3NaOH=Na3PO4+3H2O;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓,Ca2+离子由微溶于水的Ca(OH)2提供,除去磷酸;
CaF2+2NaOH=Ca(OH)2↓+2NaF,可逆反应;
或,CaF2+2KOH=Ca(OH)2↓+2KF,可逆反应;
在磷石膏废渣中,CaF2的含量很少,所以CaF2与NaOH或KOH的反应可能会省略;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
三、将上述(二)的生成物沉淀或过滤,分别得褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物和硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液或硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液;褐铁矿FeO(OH).nH2O不溶于NaOH或KOH水溶液;
四、向上述(三)的硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液或硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液中加入适量的H2SO4,充分搅拌反应,使Na2SiO3生成Na2SO4和正硅酸沉淀,或使K2SiO3生成K2SO4和正硅酸沉淀,回收正硅酸即原硅酸;Na2SiO3或K2SiO3含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;
同时,使NaF生成Na2SO4和HF;或使KF生成K2SO4和HF;Na2SiO3/NaF或K2SiO3/KF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2NaF=Na2SO4+2HF或
H2SO4+2KF=K2SO4+2HF
五、在80℃--100℃条件下,向上述(四)的Na2SO4或K2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4,因CaF2极难溶于水;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O
六、将上述(五)的硫酸钠Na2SO4水溶液或硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4;
七、将上述(三)的FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物加入适量的水,充分搅拌,使氢氧化钙形成乳浊液;静置,使FeO(OH)·nH2O、Ca HPO4立即沉淀析出分离;将氢氧化钙乳浊液过滤或静置使其自然沉淀,回收氢氧化钙;所加入的水循环利用;
八、分离褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4,
1.以足量的醋酸(CH3COOH)溶解Ca HPO4,使褐铁矿FeO(OH).nH2O立即沉淀析出分离回收;
2.将上述(1)的醋酸(CH3COOH)和Ca HPO4水溶液加入足量的Ca(OH)2,使醋酸被完全中和,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,使Ca HPO4立即沉淀析出分离回收;
2CH3COOH+Ca(OH)2=Ca(CH3COO)2+2H2O
3.将上述(2)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
(2)磷酸脱氟、脱硫混合废渣CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3的回收利用,此废渣还包括0.1%的磷酸和微量的氟化物NaF;CaCO3、SiO2、Fe2O3来源于低纯度的氧化钙CaO;
此废渣的质量数只相当于磷石膏废渣质量数的10%以下,所以可以先用适量的水洗涤磷酸和氟化物NaF,磷酸和氟化物NaF水溶液单独另作处理:
1.向磷酸和氟化物NaF水溶液中加入足量的NaOH,抑制NaF水解;使磷酸被完全中和,生成Na3PO4水溶液;
2.向上述(1)加入足量的Ca(OH)2,反应式:
NaF+H2O=NaOH+HF,可逆水解反应;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
2HF+Ca(OH)2=CaF2↓+2H2O
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓;回收CaF2和Ca HPO4混合物;水循环利用;
3.向上述(2)的CaF2和Ca HPO4混合物加入足量的醋酸水溶液,溶解Ca HPO4,沉淀析出分离回收CaF2;
4.向上述(3)的醋酸和Ca HPO4水溶液中加入足量的Ca(OH)2,完全中和醋酸,生成醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,沉淀析出分离回收Ca HPO4;
5.将上述(4)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
含CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3混合废渣的处理:
一、在常温下,向上述废渣加入50%以下的稀硫酸水溶液,通过实验室抽样检测废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量,稀硫酸水溶液硫酸的质量要根据废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量确定,充分搅拌,转速50转/分-150转/分,搅拌时间2小时-4小时,静置沉淀或过滤,分离CaSO4·2H2O、CaF2和SiO2混合废渣;同时得到MgSO4、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3水溶液;反应式:
CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+H2O;
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O;
Mg(OH)2+H2SO4=MgSO4+2H2O;
2Fe(OH)3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+6H2O;
2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O;
二、转化CaSO4·2H2O/CaF2和SiO2废渣;在常温下,向上述(一)的CaSO4·2H2O、CaF2、SiO2混合废渣中,加入相当于CaSO4·2H2O被完全反应并稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应;转速50转/分-150转/分;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应时间8小时-24小时,主要反应:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
三、将上述(二)中的生成物Ca(HSO4)2、SiO2和CaF2废渣按比例一次或分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2、二氧化硅SiO2配比稍微过量的NaOH或KOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4NaOH=2Na2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
或,Ca(HSO4)2+4KOH=2K2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;
或,SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O;
CaF2+2NaOH=Ca(OH)2↓+2NaF,可逆反应;
或,CaF2+2KOH=Ca(OH)2↓+2KF,可逆反应;CaF2只少量溶解于NaOH或KOH;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
四、将上述(三)的生成物沉淀或过滤,得Ca(OH)2和未被反应的过量的CaF2沉淀物及硫酸钠Na2SO4、Na2SiO3、NaF水溶液或硫酸钾K2SO4、K2SiO3、KF水溶液;对此Ca(OH)2和CaF2沉淀物,利用Ca(OH)2可形成悬浮乳浊液的性质,加入适量的水,搅拌、静置,使CaF2立即沉淀析出,静置、沉淀或过滤回收Ca(OH)2,水在此循环利用;
五、向上述(四)的硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液或硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液中加入适量的H2SO4;充分搅拌反应;
(1)使Na2SiO3生成Na2SO4和正硅酸沉淀,NaF生成Na2SO4和HF;或使K2SiO3生成K2SO4和正硅酸沉淀,KF生成K2SO4和HF;回收正硅酸即原硅酸;Na2SiO3/NaF或K2SiO3/KF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2NaF=Na2SO4+2HF或
H2SO4+2KF=K2SO4+2HF;
(2)在80℃--100℃条件下,向上述(1)的Na2SO4或K2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4,因CaF2极难溶于水;因CaSO4的水溶解度远比Ca(OH)2的水溶解度大,所以Na2SO4或K2SO4与氢氧化钙Ca(OH)2生成CaSO4和NaOH或KOH的反应是可逆反应,在氢氟酸HF和Ca(OH)2的强烈竞争反应下,控制Ca(OH)2的反应量,就可使氢氟酸HF被Ca(OH)2完全中和,而保留Na2SO4或K2SO4;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O;
六、将上述(五)的硫酸钠Na2SO4水溶液或硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4;
七、向上述(一)的Fe2(SO4)3、MgSO4、Al2(SO4)3水溶液中加入足量的NaOH或KOH,充分搅拌反应,静置,得到Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物和硫酸钠Na2SO4水溶液或硫酸钾K2SO4水溶液;将硫酸钠Na2SO4水溶液或硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4;
八、在密封容器中,向上述(七)中的Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物加入适量的水,加入空气或CO2充分搅拌,使Mg(OH)2生成碱式碳酸镁或碳酸镁,静置,而立即沉淀析出;分离Fe(OH)3和Al(OH)3的水相絮状悬浮物;
九、再向上述(八)中的Fe(OH)3/Al(OH)3絮状悬浮液中加入足量的氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH,充分搅拌,使Al(OH)3生成铝酸钠或铝酸钾水溶液,使Fe(OH)3沉淀析出分离;
十、向上述(九)中的铝酸钠或铝酸钾水溶液中加入足量的硫酸,充分搅拌,使之生成Na2SO4或K2SO4水溶液和Al(OH)3,静置、沉淀或过滤,回收Al(OH)3,将硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4;也可以用盐酸或硝酸代替硫酸而得到相应的钾盐或钠盐和Al(OH)3,回收Al(OH)3;或将上述(九)中的铝酸钠或铝酸钾水溶液直接真空浓缩干燥,得到铝酸钠或铝酸钾;或利用铝酸钠或铝酸钾的水解作用,循环过滤Al(OH)3,使铝酸钠或铝酸钾完全水解,回收Al(OH)3,其所得氢氧化钠NaOH或氢氧化钾KOH水溶液在上述(九)中循环利用。
有益效果:
1、本发明充分有效地节约和利用了宝贵的资源,为农业硫、钾复合肥和工业氢氧化钙、硫酸钠的生产开辟了广阔的廉价的原材料来源。
2、本发明的石膏CaSO4·2H2O等其他各分离回收化学物质的化学纯度高,可达98%以上,产品应用范围广,应用价值高。
3、本发明极大地降低了企业的生产成本,同时废渣的资源化有效利用也极大地提高了企业的生产效益。
4、本发明有力地保护了环境、杜绝了废渣污水的排放、保护了水资源。
5、本发明节约了石膏废渣堆放土地。
6、本发明解决了磷石膏废渣的分离回收的难以处理的重大技术难题,避免了资源的浪费和环境污染。
7、本发明对磷石膏废渣进行了资源化有效利用,也节约了能源。
本发明技术方案的优选方案:
(1)磷石膏废渣的分离回收:
磷石膏废渣主要包括:CaSO4·2H2O、SiO2、H3PO4、褐铁矿FeO(OH).n H2O和磷灰石Ca5F(PO4)3,及少量的氟化钙和微量的水溶性氟化物(氟化钠);对此废渣,在真空条件下,常温或加热搅拌,脱水干燥,再用50目-100目筛网过滤大颗粒磷灰石,磷灰石在工业磷酸二氢铵(磷酸一铵)生产中循环利用:
一、在常温下,将磷石膏废渣加入相对于石膏CaSO4稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应,转速50转/分-150转/分,反应时间8小时-24小时;使石膏生成Ca(HSO4)2;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应式:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
2NaF+浓H2SO4=Na2SO4+2HF;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
二、在常温或以上温度下,将上述(一)中的生成物一次或分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2和二氧化硅SiO2配比稍微过量的NaOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4NaOH=2Na2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;
H3PO4+3NaOH=Na3PO4+3H2O;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓,Ca2+离子由微溶于水的Ca(OH)2提供,除去磷酸;
CaF2+2NaOH=Ca(OH)2↓+2NaF,可逆反应;
在磷石膏废渣中,CaF2的含量很少,所以CaF2与NaOH或KOH的反应可能会省略;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
三、将上述(二)的生成物沉淀或过滤,分别得褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物和硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液;褐铁矿FeO(OH).nH2O不溶于NaOH或KOH水溶液;
四、向上述(三)的硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液中加入适量的H2SO4,充分搅拌反应,使Na2SiO3生成Na2SO4和正硅酸沉淀,回收正硅酸即原硅酸;Na2SiO3含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;
同时,使NaF生成Na2SO4和HF;Na2SiO3/NaF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2NaF=Na2SO4+2HF;
五、在80℃--100℃条件下,向上述(四)的Na2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钠Na2SO4,因CaF2极难溶于水;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O
六、将上述(五)的硫酸钠Na2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4;
七、将上述(三)的FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物加入适量的水,充分搅拌,使氢氧化钙形成乳浊液;静置,使FeO(OH)·nH2O、Ca HPO4立即沉淀析出分离;将氢氧化钙乳浊液过滤或静置使其自然沉淀,回收氢氧化钙;所加入的水循环利用;
八、分离褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4,
1.以足量的醋酸(CH3COOH)溶解Ca HPO4,使褐铁矿FeO(OH).nH2O立即沉淀析出分离回收;
2.将上述(1)的醋酸(CH3COOH)和Ca HPO4水溶液加入足量的Ca(OH)2,使醋酸被完全中和,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,使Ca HPO4立即沉淀析出分离回收;
2CH3COOH+Ca(OH)2=Ca(CH3COO)2+2H2O
3.将上述(2)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
(2)磷酸脱氟、脱硫混合废渣CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3的回收利用,此废渣还包括0.1%的磷酸和微量的氟化物NaF;CaCO3、SiO2、Fe2O3来源于低纯度的氧化钙CaO;
此废渣的质量数只相当于磷石膏废渣质量数的10%以下,所以可以先用适量的水洗涤磷酸和氟化物NaF,磷酸和氟化物NaF水溶液单独另作处理:
1.向磷酸和氟化物NaF水溶液中加入足量的NaOH,抑制NaF水解;使磷酸被完全中和,生成Na3PO4水溶液;
2.向上述(1)加入足量的Ca(OH)2,反应式:
NaF+H2O=NaOH+HF,可逆水解反应;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
2HF+Ca(OH)2=CaF2↓+2H2O
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓;回收CaF2和Ca HPO4混合物;水循环利用;
3.向上述(2)的CaF2和Ca HPO4混合物加入足量的醋酸水溶液,溶解Ca HPO4,沉淀析出分离回收CaF2;
4.向上述(3)的醋酸和Ca HPO4水溶液中加入足量的Ca(OH)2,完全中和醋酸,生成醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,沉淀析出分离回收Ca HPO4;
5.将上述(4)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
含CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3混合废渣的处理:
一、在常温下,向上述废渣加入50%以下的稀硫酸水溶液,通过实验室抽样检测废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量,稀硫酸水溶液硫酸的质量要根据废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量确定,充分搅拌,转速50转/分-150转/分,搅拌时间2小时-4小时,静置沉淀或过滤,分离CaSO4·2H2O、CaF2和SiO2混合废渣;同时得到MgSO4、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3水溶液;反应式:
CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+H2O;
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O;
Mg(OH)2+H2SO4=MgSO4+2H2O;
2Fe(OH)3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+6H2O;
2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O;
二、转化CaSO4·2H2O/CaF2和SiO2废渣;在常温下,向上述(一)的CaSO4·2H2O、CaF2、SiO2混合废渣中,加入相当于CaSO4·2H2O被完全反应并稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应;转速50转/分-150转/分;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应时间8小时-24小时,主要反应:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
三.将上述(二)中的生成物Ca(HSO4)2、SiO2和CaF2废渣分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2、二氧化硅SiO2配比稍微过量的NaOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4NaOH=2Na2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2NaOH=Na2SiO3+H2O;
CaF2+2NaOH=Ca(OH)2↓+2NaF,可逆反应;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
四、将上述(三)的生成物沉淀或过滤,得Ca(OH)2和未被反应的过量的CaF2沉淀物及硫酸钠Na2SO4、Na2SiO3、NaF水溶液;对此Ca(OH)2和CaF2沉淀物,利用Ca(OH)2可形成悬浮乳浊液的性质,加入适量的水,搅拌、静置,使CaF2立即沉淀析出回收,静置、沉淀或过滤回收Ca(OH)2,水在此循环利用;
五、向上述(四)的硫酸钠Na2SO4及Na2SiO3、NaF水溶液中加入适量的H2SO4;充分搅拌反应;
(1)使Na2SiO3生成Na2SO4和正硅酸沉淀,NaF生成Na2SO4和HF;回收正硅酸即原硅酸;硅酸钠Na2SiO3/NaF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2NaF=Na2SO4+2HF;
(2)在80℃--100℃条件下,向上述(1)的Na2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钠Na2SO4或硫酸钾K2SO4,因CaF2极难溶于水;因CaSO4的水溶解度远比Ca(OH)2的水溶解度大,所以Na2SO4与氢氧化钙Ca(OH)2生成CaSO4和NaOH的反应是可逆反应,在氢氟酸HF和Ca(OH)2的强烈竞争反应下,控制Ca(OH)2的反应量,就可使氢氟酸HF被Ca(OH)2完全中和,而保留Na2SO4或K2SO4;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O;
六、将上述(五)的硫酸钠Na2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4;
七、向上述(一)的Fe2(SO4)3、MgSO4、Al2(SO4)3水溶液中加入足量的NaOH,充分搅拌反应,静置,得到Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物和硫酸钠Na2SO4水溶液;将硫酸钠Na2SO4水溶液真空浓缩干燥;
八、在密封容器中,向上述(七)中的Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物加入适量的水,加入空气或CO2充分搅拌,使Mg(OH)2生成碱式碳酸镁或碳酸镁,静置,而立即沉淀析出;分离Fe(OH)3和Al(OH)3的水相絮状悬浮物;
九、再向上述(八)中的Fe(OH)3/Al(OH)3絮状悬浮液中加入足量的氢氧化钠NaOH,充分搅拌,使Al(OH)3生成铝酸钠或铝酸钾水溶液,使Fe(OH)3沉淀析出分离;
十、向上述(九)中的铝酸钠水溶液中加入足量的硫酸,充分搅拌,使之生成Na2SO4和Al(OH)3,静置、沉淀或过滤,回收Al(OH)3,将硫酸钠Na2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钠Na2SO4;也可以用盐酸或硝酸代替硫酸而得到相应的钠盐和Al(OH)3,回Al(OH)3;或将上述(九)中的铝酸钠或铝酸钾水溶液直接真空浓缩干燥,得到铝酸钠;或利用铝酸钠的水解作用,循环过滤Al(OH)3,使铝酸钠完全水解,回收Al(OH)3,其所得氢氧化钠NaOH水溶液在上述(九)中循环利用。
实施例:
(1)磷石膏废渣的分离回收:
磷石膏废渣主要包括:CaSO4·2H2O、SiO2、H3PO4、褐铁矿FeO(OH).n H2O和磷灰石Ca5F(PO4)3,及少量的氟化钙和微量的水溶性氟化物(氟化钠);对此废渣,在真空条件下,常温或加热搅拌,脱水干燥,再用50目-100目筛网过滤大颗粒磷灰石,磷灰石在工业磷酸二氢铵(磷酸一铵)生产中循环利用:
一、在常温下,将磷石膏废渣加入相对于石膏CaSO4稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应,转速50转/分-150转/分,反应时间8小时-24小时;使石膏生成Ca(HSO4)2;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应式:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
2NaF+浓H2SO4=Na2SO4+2HF;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
二、在常温或以上温度下,将上述(一)中的生成物一次或分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2和二氧化硅SiO2配比稍微过量的NaOH或KOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4KOH=2K2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O;
H3PO4+3KOH=K3PO4+3H2O;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓,Ca2+离子由微溶于水的Ca(OH)2提供,除去磷酸;
CaF2+2KOH=Ca(OH)2↓+2KF,可逆反应;
在磷石膏废渣中,CaF2的含量很少,所以CaF2与KOH的反应可能会省略;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
三、将上述(二)的生成物沉淀或过滤,分别得褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物和硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液;褐铁矿FeO(OH).nH2O不溶于NaOH或KOH水溶液;
四、向上述(三)的硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液中加入适量的H2SO4,充分搅拌反应,使K2SiO3生成K2SO4和正硅酸沉淀,回收正硅酸即原硅酸;K2SiO3含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;
同时,使KF生成K2SO4和HF;K2SiO3/KF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2KF=K2SO4+2HF;
五、在80℃--100℃条件下,向上述(四)的K2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钾K2SO4,因CaF2极难溶于水;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O;
六、将上述(五)的硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钾K2SO4;
七、将上述(三)的FeO(OH).nH2O、Ca HPO4、Ca(OH)2混合物加入适量的水,充分搅拌,使氢氧化钙形成乳浊液;静置,使FeO(OH)·nH2O、Ca HPO4立即沉淀析出分离;将氢氧化钙乳浊液过滤或静置使其自然沉淀,回收氢氧化钙;所加入的水循环利用;
八、分离褐铁矿FeO(OH).nH2O、Ca HPO4,
1.以足量的醋酸(CH3COOH)溶解Ca HPO4,使褐铁矿FeO(OH).nH2O立即沉淀析出分离回收;
2.将上述(1)的醋酸(CH3COOH)和Ca HPO4水溶液加入足量的Ca(OH)2,使醋酸被完全中和,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,使Ca HPO4立即沉淀析出分离回收;
2CH3COOH+Ca(OH)2=Ca(CH3COO)2+2H2O
3.将上述(2)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
(2)磷酸脱氟、脱硫混合废渣CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3的回收利用,此废渣还包括0.1%的磷酸和微量的氟化物NaF;CaCO3、SiO2、Fe2O3来源于低纯度的氧化钙CaO;
此废渣的质量数只相当于磷石膏废渣质量数的10%以下,所以可以先用适量的水洗涤磷酸和氟化物NaF,磷酸和氟化物NaF水溶液单独另作处理:
1.向磷酸和氟化物NaF水溶液中加入足量的NaOH,抑制NaF水解;使磷酸被完全中和,生成Na3PO4水溶液;
2.向上述(1)加入足量的Ca(OH)2,反应式:
NaF+H2O=NaOH+HF,可逆水解反应;
PO4 3-+H2O=HPO4 2-+OH-,磷酸根可逆水解反应;
2HF+Ca(OH)2=CaF2↓+2H2O
HPO4 2-+Ca2+=Ca HPO4↓;回收CaF2和Ca HPO4混合物;水循环利用;
3.向上述(2)的CaF2和Ca HPO4混合物加入足量的醋酸水溶液,溶解Ca HPO4,沉淀析出分离回收CaF2;
4.向上述(3)的醋酸和Ca HPO4水溶液中加入足量的Ca(OH)2,完全中和醋酸,生成醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,沉淀析出分离回收Ca HPO4;
5.将上述(4)的醋酸钙Ca(CH3COO)2水溶液,真空浓缩干燥,得到醋酸钙Ca(CH3COO)2;
含CaSO4·2H2O、Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、CaF2、或/和CaCO3、SiO2、Fe2O3混合废渣的处理:
一、在常温下,向上述废渣加入50%以下的稀硫酸水溶液,通过实验室抽样检测废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量,稀硫酸水溶液硫酸的质量要根据废渣中Mg(OH)2、Al(OH)3、Fe(OH)3、或/和CaCO3、Fe2O3的含量确定,充分搅拌,转速50转/分-150转/分,搅拌时间2小时-4小时,静置沉淀或过滤,分离CaSO4·2H2O、CaF2和SiO2混合废渣;同时得到MgSO4、Fe2(SO4)3、Al2(SO4)3水溶液;反应式:
CaCO3+H2SO4=CaSO4+CO2+H2O;
Fe2O3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+3H2O;
Mg(OH)2+H2SO4=MgSO4+2H2O;
2Fe(OH)3+3H2SO4=Fe2(SO4)3+6H2O;
2Al(OH)3+3H2SO4=Al2(SO4)3+6H2O;
二、转化CaSO4·2H2O/CaF2和SiO2废渣;在常温下,向上述(一)的CaSO4·2H2O、CaF2、SiO2混合废渣中,加入相当于CaSO4·2H2O被完全反应并稍微过量的浓硫酸H2SO4和SO3,搅拌反应;转速50转/分-150转/分;可适当加热至40℃--50℃,以加快反应速度;反应时间8小时-24小时,主要反应:
CaSO4+浓H2SO4=Ca(HSO4)2;
CaF2+浓H2SO4=CaSO4+2HF;
浓硫酸H2SO4吸收CaSO4·2H2O中的结晶水,SO3吸收浓硫酸H2SO4中的水而呈放热反应,这既节约了能源,也加快了反应速度;H2SO4与SO3的分子数比或摩尔数比为1∶1.5-2.0,或H2SO4与SO3的质量比为49∶60-80;所加入的浓硫酸的浓度应在98%以上,使反应更加迅速和彻底;
反应温度控制在50℃--95℃,在非铅器皿中反应或/和加热反应,最大限度地减少CaF2和浓H2SO4反应,节约能源,并回收少量的HF气体;反应中,应将反应釜密封;
三、将上述(二)中的生成物Ca(HSO4)2、SiO2和CaF2废渣分次加入质量比20%--30%的相对于反应物硫酸氢钙Ca(HSO4)2、二氧化硅SiO2配比稍微过量的KOH水溶液,搅拌反应;搅拌速度500转/分-800转/分,以避免Ca(OH)2对反应的阻隔作用,反应式:
Ca(HSO4)2+4KOH=2K2SO4+Ca(OH)2↓+2H2O;
反应时间1小时-8小时;
SiO2+2KOH=K2SiO3+H2O;
CaF2+2KOH=Ca(OH)2↓+2KF,可逆反应;
此步反应生成物温度可高达90℃--100℃或100℃以上;
四、将上述(三)的生成物沉淀或过滤,得Ca(OH)2和未被反应的过量的CaF2沉淀物及硫酸钾K2SO4、K2SiO3、KF水溶液;对此Ca(OH)2和CaF2沉淀物,利用Ca(OH)2可形成悬浮乳浊液的性质,加入适量的水,搅拌、静置,使CaF2立即沉淀析出,静置、沉淀或过滤回收Ca(OH)2,水在此循环利用;
五、向上述(四)的硫酸钾K2SO4及K2SiO3、KF水溶液中加入适量的H2SO4;充分搅拌反应;
(1)使K2SiO3生成K2SO4和正硅酸沉淀,KF生成K2SO4和HF;回收正硅酸即原硅酸;K2SiO3/KF含量可通过实验室检测,并据此计算H2SO4的加入反应量;不挥发性的强酸硫酸H2SO4生成挥发性的弱酸氢氟酸HF;
H2SO4+2KF=K2SO4+2HF;
(2)在80℃--100℃条件下,向上述(1)的K2SO4和HF水溶液中加入足量的Ca(OH)2,充分搅拌反应;使氢氟酸HF生成氟化钙CaF2;回收氟化钙CaF2;这非常有利于得到高纯度的硫酸钾K2SO4,因CaF2极难溶于水;因CaSO4的水溶解度远比Ca(OH)2的水溶解度大,K2SO4与氢氧化钙Ca(OH)2生成CaSO4和KOH的反应是可逆反应,在氢氟酸HF和Ca(OH)2的强烈竞争反应下,控制Ca(OH)2的反应量,就可使氢氟酸HF被Ca(OH)2完全中和,而保留K2SO4;
2HF+Ca(OH)2=CaF2+2H2O;
六、将上述(五)的硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钾K2SO4;
七、向上述(一)的Fe2(SO4)3、MgSO4、Al2(SO4)3水溶液中加入足量的KOH,充分搅拌反应,静置,得到Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物和硫酸钾K2SO4水溶液;将硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,硫酸钾K2SO4;
八、在密封容器中,向上述(七)中的Mg(OH)2、Fe(OH)3、Al(OH)3沉淀物加入适量的水,加入空气或CO2充分搅拌,使Mg(OH)2生成碱式碳酸镁或碳酸镁,静置,而立即沉淀析出;分离Fe(OH)3和Al(OH)3的水相絮状悬浮物;
九、再向上述(八)中的Fe(OH)3/Al(OH)3絮状悬浮液中加入足量的氢氧化钾KOH,充分搅拌,使Al(OH)3生成铝酸钾水溶液,使Fe(OH)3沉淀析出分离;
十、向上述(九)中的铝酸钾水溶液中加入足量的硫酸,充分搅拌,使之生成K2SO4水溶液和Al(OH)3,静置、沉淀或过滤,回收Al(OH)3,将硫酸钾K2SO4水溶液真空浓缩干燥,得到硫酸钾K2SO4;也可以用盐酸或硝酸代替硫酸而得到相应的钾盐和Al(OH)3,回收Al(OH)3;或将上述(九)中的铝酸钾水溶液直接真空浓缩干燥,得到铝酸钾;或利用铝酸钾的水解作用,循环过滤Al(OH)3,使铝酸钾完全水解,回收Al(OH)3,其所得氢氧化钾KOH水溶液在上述(九)中循环利用。
本发明的化学反应条件,没有特别说明的,均为常温常压。