CN108298515A - 利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法 - Google Patents

利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法 Download PDF

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Abstract

一种利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，包括如下步骤：将磷酸铁生产中含有盐酸的洗涤水送入电解槽，得到氯气；将氯气通入黄磷水中，被黄磷水吸收，得到磷酸和盐酸的混合物；将磷酸和盐酸的混合物与硫酸烧渣反应，得到粗品磷酸铁；本发明中，一次洗涤水中的盐酸、氯化磷、氯化镁、氯化钙通过电解反应后，氯离子生成氯气，氯气与黄磷水反应生成第一磷酸和第三盐酸的混合物，第一磷酸和第三盐酸的混合物再与硫酸烧渣生成粗品磷酸铁，从而通过氯离子的循环利用将硫酸烧渣变废为宝，且避免氯离子的排放污染环境，阳离子则与氢氧根结合形成沉淀排出，避免了阳离子浓度的不断增加，使得经过电解处理的一次洗涤水可以循环利用，实现了洗涤水的零排放。

Description

利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法
技术领域
本发明涉及磷酸铁制备技术领域，特别涉及一种利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法。
背景技术
磷酸铁可用做制备锂离子电池正极材料磷酸铁锂的铁源，但其成本较高，仅磷酸铁就占到原料成本的近半，必须大幅度降低磷酸铁的成本，以高性价比来满足市场需求。硫酸烧渣为硫铁矿焙烧提取硫后排出的残渣。铁是烧渣中主要可利用成分。目前，硫酸烧渣的综合利用并不理想，除了少部分用作炼铁和建筑材料外，大部分采用堆填处理，造成了资源的浪费、环境的污染。而将硫酸烧渣作为制备磷酸铁的原料，未见有报道。磷酸铁生产过程中需要对其进行洗涤，洗涤水中含有低浓度的盐酸和一些氯化盐，如不处理，洗涤水不能循环使用，由于盐酸、氯化盐浓度低，难以采用常规的方法处理，如采用中和置换法，即采用大量石灰与废盐酸发生中和反应。采用该方法处理废水中的盐酸，处理成本高，而回收价值很低，还会产生大量废水，污染环境，直接排放不仅造成资源浪费，还会对环境造成一定的影响，尤其是氯离子对环境的污染尤为突出。
发明内容
有鉴于此，针对上述不足，有必要提出一种能利用硫酸烧渣制备磷酸铁，且能有效回收利用磷酸铁洗涤水中的盐酸及洗涤水，满足污染物零排放，尤其是氯离子零排放的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法。
一种利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，包括如下步骤：步骤一：将硫酸烧渣与第二磷酸反应，以得到粗品磷酸铁，其中第二磷酸的质量百分浓度为20～80%；
步骤二：将粗品磷酸铁用第二盐酸溶解，并过滤得到清液和滤渣，其中第二盐酸的质量百分浓度为20～30%；
步骤三：将所述清液蒸馏，以得到气态氯化氢与磷酸铁结晶产物；
步骤四：将气态氯化氢冷凝，得到第四盐酸，其中第四颜色的质量百分浓度为小于5%；
步骤五：将磷酸铁结晶产物用二次洗涤水水洗，得到精制磷酸铁以及含有一次洗涤水，其中，所述一次洗涤水为含有质量百分浓度为1～5%第一盐酸的洗涤水，所述一次洗涤水内还含有氯化盐，该氯化盐的阳离子对应的氢氧化物不溶于水，二次洗涤水为去除氯化物的一次洗涤水；
步骤六：将一次洗涤水送入电解装置电解，以得到氯气、氢气、氢氧根沉淀物、二次洗涤水，将氢气从氢气排放口排放，将氢氧根沉淀物从电解槽排出，将二次洗涤水返回至步骤五，用以洗涤磷酸铁结晶产物，二次洗涤水再转变为一次洗涤水；
步骤七：将所述氯气通入黄磷水中，并被黄磷水吸收，以得到第一磷酸和第三盐酸的混合物；
步骤八：将第一磷酸和第三盐酸的混合物返回至步骤一中，用以与硫酸烧渣反应；
步骤九：将步骤五中得到的精制磷酸铁进行焙烧，得到无水磷酸铁。
本发明中，一次洗涤水中的盐酸、氯化磷、氯化镁、氯化钙通过电解反应后，氯离子生成氯气，氯气与黄磷水反应生成第一磷酸和第三盐酸的混合物，第一磷酸和第三盐酸的混合物再与硫酸烧渣生成粗品磷酸铁，从而通过氯离子的循环利用将硫酸烧渣变废为宝，且避免氯离子的排放污染环境，阳离子则与氢氧根结合形成沉淀排出，避免了阳离子浓度的不断增加，使得经过电解处理的一次洗涤水可以循环利用，实现了洗涤水的零排放。
附图说明
图1为利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法的流程图。
图2为所述蒸发冷凝器的结构示意图。
图3为所述沸腾壁的结构示意图。
图4为所述冷凝管道主视方向的结构示意图。
图5为所述冷凝管道右视方向的结构示意图。
图中：蒸发锅10、进水管道11、第一电磁阀111、出水管道12、第二电磁阀121、冷凝管道13、冷凝部131、折流板1311、液位控制器14、沸腾壁15、加热炉20、燃烧室21、氢气管道22、排水管道23、助燃气体管道24。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
参见图1，本发明实施例提供了一种利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，包括如下步骤：
步骤S300：将硫酸烧渣与第二磷酸反应，以得到粗品磷酸铁，其中第二磷酸的质量百分浓度为20～80%；
步骤S301：将粗品磷酸铁用第二盐酸溶解，并过滤得到清液和滤渣，其中第二盐酸的质量百分浓度为20～30%；
步骤S302：将所述清液蒸馏，以得到气态氯化氢与磷酸铁结晶产物；
步骤S303：将气态氯化氢冷凝，得到第四盐酸，其中第四颜色的质量百分浓度为小于5%；
步骤S304：将磷酸铁结晶产物用二次洗涤水水洗，得到精制磷酸铁以及含有一次洗涤水，其中，所述一次洗涤水为含有质量百分浓度为1～5%第一盐酸的洗涤水，所述一次洗涤水内还含有氯化盐，该氯化盐的阳离子对应的氢氧化物不溶于水，二次洗涤水为去除氯化物的一次洗涤水；
步骤S305：将一次洗涤水送入电解装置电解，以得到氯气、氢气、氢氧根沉淀物、二次洗涤水，将氢气从氢气排放口排放，将氢氧根沉淀物从电解槽排出，将二次洗涤水返回至步骤S304，用以洗涤磷酸铁结晶产物，二次洗涤水再转变为一次洗涤水，其中，二次洗涤水为去除氯化物的一次洗涤水；
步骤S306：将所述氯气通入黄磷水中，并被黄磷水吸收，以得到第一磷酸和第三盐酸的混合物；
步骤S307：将第一磷酸和第三盐酸的混合物返回至步骤S300中，用以与硫酸烧渣反应；
步骤S308：将步骤S304中得到的精制磷酸铁进行焙烧，得到无水磷酸铁。
其中图1中，反应一指氯气与黄磷水的反应，反应二指磷酸与硫酸烧渣的反应。
本发明中，一次洗涤水中的盐酸、氯化磷、氯化镁、氯化钙通过电解反应后，氯离子生成氯气，氯气与黄磷水反应生成第一磷酸和第三盐酸的混合物，第一磷酸和第三盐酸的混合物再与硫酸烧渣生成粗品磷酸铁，从而通过氯离子的循环利用将硫酸烧渣变废为宝，且避免氯离子的排放污染环境，阳离子则与氢氧根结合形成沉淀排出，避免了阳离子浓度的不断增加，使得经过电解处理的一次洗涤水可以循环利用，实现了洗涤水的零排放。
参见图1，进一步，步骤304中的一次洗涤水在步骤305中电解之前经过预处理的步骤，该预处理步骤为，将一次洗涤水通过蒸发冷凝器，以将质量百分浓度为1～5%的洗涤水浓缩，所述蒸发冷凝器采用步骤305中排放的氢气加热。
本实施方式中，将电解反应生成的氢气用于一次洗涤的蒸发浓缩，以提高一次洗涤水电解效率，降低电解能耗，同时既避免氢气的排放污染环境，又避免了能源浪费。
参见图2，进一步，蒸发冷凝器包括蒸发锅10、加热炉20，在加热炉20上安装有氢气管道22、排水管道23、助燃气体管道24，在蒸发锅10上安装有进水管道11、出水管道12、冷凝管道13、液位控制器14，蒸发锅10穿过加热炉20顶壁的圆形孔，并嵌套入内加热炉20，蒸发锅10上部外环壁与加热炉20顶壁的圆形孔内环壁固定、密封连接，氢气管道22的一端与加热炉20的燃烧室21底部连通，氢气管道22的另一端与电解装置的氢气排放口连通，加热炉20的燃烧室21底部连通有排水管道23，以将氢气燃烧后生成的水排出，加热炉20的燃烧室21底部连通有助燃气体管道24，以将空气通入加热炉20的燃烧室21内，蒸发冷凝器上部连接有进水管道11，以将待预处理的一次洗涤水通入蒸发冷凝器，在进水管道11上安装有第一电磁阀111，蒸发冷凝器下部连接有出水管道12，以将蒸发浓缩后的一次洗涤通入电解槽，在出水管道12上安装有第二电磁阀121，上述蒸发冷凝器内的水蒸发后，水蒸汽在蒸发冷凝器顶部成冷凝水，该冷凝水从蒸发冷凝器顶部的出水口通过冷凝管道13输送至使用点，用以洗涤磷酸铁结晶产物，蒸发冷凝器内安装有液位控制器14，液位控制器14与控制模块电性连接，控制模块与第一电磁阀111、第二电磁阀121电性连接，蒸发冷凝器内的水位在低水位时，液位控制器14发出水位低的信号给控制模块，控制器模块控制第一电磁阀111打开、第二电磁阀121关闭，蒸发冷凝器内的水位在高水位时，液位控制器14发出水位高的信号给控制模块，控制模块控制第一电磁阀111关闭，第二电磁阀121打开。
本实施例中，由液位控制器14控制第一电磁阀111关闭，第二电磁阀121间歇打开或关闭，以控制蒸发冷凝器中一次洗涤水的液位，从而间接控制经过预处理后的第一洗涤水的中盐酸的质量百分浓度，以为电解装置间歇提供含有指定质量百分浓度要求的盐酸的一次洗涤水。
参见图2和图3，进一步，蒸发冷凝器内具有与其内的原水接触，并用以加热原水的沸腾壁15，沸腾壁15与原水接触的一侧密布有细小的突起，突起的自由端设置成尖端。
本实施例中，将蒸发冷凝器与水接触，并对水进行加热的部分设置成沸腾壁15，一方面通过密布的细小突起增大了蒸发面积，另一方面通过将突起的自由端设置成尖端为气泡生产提供生长核，从而促进水的蒸发。
参见图2、图4、图5，进一步，冷凝管道13截面为方形，在冷凝管道13内沿其长度方向均匀间隔插放有多个冷凝部131，冷凝部131包括两个折流板1311，两个折流板1311反向倾斜设置，每一个折流板1311呈梯形，并与排风管道内侧侧壁垂直。
折流板1311调节冷凝管道13内水蒸气的流动情况，水蒸气碰到折流板1311后，一少部分冷凝水顺着折流板1311向下流动，同时多个折流板1311增大了水蒸气的换热面积，加速了水蒸气的凝聚，折流板1311上的冷凝水膜到一定厚度后，在重力和气流的作用下沿着折流板1311聚集在冷凝管道13底部，再沿着冷凝管道13底部流至使用点，用以洗涤磷酸铁结晶产物，有效加速了水蒸气冷凝效果，该冷凝管道13既不额外增加设备结构，又能充分利用已有设备的管道内的空间，且达到了加速水蒸气冷凝效果，结构简易、实用。
进一步，步骤S305中一次洗涤水的电解过程为，将经过预处理的一次洗涤水通过隔膜或阳离子膜电解槽，以铜网为阴极、钛合金为阳极得到氯气和氢气，电解采用连续多级的方式，即一级电解后的一次洗涤水再行补充新的一次洗涤水进行二级电解，二级电解后的一次洗涤水再补充新的一次洗涤水进行三级电解，以此类推。
本实施方式中，采用铜网为阴极，能有效减少氯离子在在电解液中的扩散距离，减小电解能耗，更适用于低浓度盐酸水溶液的电解制氯气。
本发明实施例方法中的步骤可以根据实际需要进行顺序调整、合并和删减。
本发明实施例装置中的模块或单元可以根据实际需要进行合并、划分和删减。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (6)

1.一种利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：将硫酸烧渣与第二磷酸反应，以得到粗品磷酸铁，其中第二磷酸的质量百分浓度为20～80%；
步骤二：将粗品磷酸铁用第二盐酸溶解，并过滤得到清液和滤渣，其中第二盐酸的质量百分浓度为20～30%；
步骤三：将所述清液蒸馏，以得到气态氯化氢与磷酸铁结晶产物；
步骤四：将气态氯化氢冷凝，得到第四盐酸，其中第四颜色的质量百分浓度为小于5%；
步骤五：将磷酸铁结晶产物用二次洗涤水水洗，得到精制磷酸铁以及含有一次洗涤水，其中，所述一次洗涤水为含有质量百分浓度为1～5%第一盐酸的洗涤水，所述一次洗涤水内还含有氯化盐，该氯化盐的阳离子对应的氢氧化物不溶于水，二次洗涤水为去除氯化物的一次洗涤水；
步骤六：将一次洗涤水送入电解装置电解，以得到氯气、氢气、氢氧根沉淀物、二次洗涤水，将氢气从氢气排放口排放，将氢氧根沉淀物从电解槽排出，将二次洗涤水返回至步骤五，用以洗涤磷酸铁结晶产物，二次洗涤水再转变为一次洗涤水；
步骤七：将所述氯气通入黄磷水中，并被黄磷水吸收，以得到第一磷酸和第三盐酸的混合物；
步骤八：将第一磷酸和第三盐酸的混合物返回至步骤一中，用以与硫酸烧渣反应；
步骤九：将步骤五中得到的精制磷酸铁进行焙烧，得到无水磷酸铁。
2.如权利要求1所述的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于：步骤五中的一次洗涤水在步骤六中电解之前经过预处理的步骤，该预处理步骤为，将一次洗涤通过蒸发冷凝器，以将质量百分浓度为1～5%的洗涤水浓缩，所述蒸发冷凝器采用步骤六中排放的氢气加热。
3.如权利要求2所述的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于：所述蒸发冷凝器包括蒸发锅、加热炉，在加热炉上安装有氢气管道、排水管道、助燃气体管道，在蒸发锅上安装有进水管道、出水管道、冷凝管道、液位控制器，所述蒸发锅穿过加热炉顶壁的圆形孔，并嵌套入内加热炉，所述蒸发锅上部外环壁与加热炉顶壁的圆形孔内环壁固定、密封连接，所述氢气管道的一端与加热炉的燃烧室底部连通，所述氢气管道的另一端与电解装置的氢气排放口连通，所述加热炉的燃烧室底部连通有排水管道，以将氢气燃烧后生成的水排出，所述加热炉的燃烧室底部连通有助燃气体管道，以将空气通入加热炉的燃烧室内，所述蒸发冷凝器上部连接有进水管道，以将待预处理的一次洗涤水通入蒸发冷凝器，在进水管道上安装有第一电磁阀，所述蒸发冷凝器下部连接有出水管道，以将蒸发浓缩后的一次洗涤通入电解槽，在出水管道上安装有第二电磁阀，上述蒸发冷凝器内的水蒸发后，水蒸汽在蒸发冷凝器顶部成冷凝水，该冷凝水从蒸发冷凝器顶部的出水口通过冷凝管道输送至使用点，用以洗涤磷酸铁结晶产物，所述蒸发冷凝器内安装有液位控制器，所述液位控制器与控制模块电性连接，所述控制模块与第一电磁阀、第二电磁阀电性连接，蒸发冷凝器内的水位在低水位时，液位控制器发出水位低的信号给控制模块，控制器模块控制第一电磁阀打开、第二电磁阀关闭，蒸发冷凝器内的水位在高水位时，液位控制器发出水位高的信号给控制模块，控制模块控制第一电磁阀关闭，第二电磁阀打开。
4.如权利要求3所述的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于：所述蒸发冷凝器内具有与其内的原水接触，并用以加热原水的沸腾壁，所述沸腾壁与原水接触的一侧密布有细小的突起，所述突起的自由端设置成尖端。
5.如权利要求3所述的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于：所述冷凝管道截面为方形，在冷凝管道内沿其长度方向均匀间隔插放有多个冷凝部，所述冷凝部包括两个折流板，两个折流板反向倾斜设置，每一个折流板呈梯形，并与排风管道内侧侧壁垂直。
6.如权利要求1所述的利用硫酸烧渣制取电池级磷酸铁的方法，其特征在于：步骤六中一次洗涤水的电解过程为，将经过预处理的一次洗涤水通过隔膜或阳离子膜电解槽，以铜网为阴极、钛合金为阳极得到氯气和氢气，电解采用连续多级的方式，即一级电解后的一次洗涤水再行补充新的一次洗涤水进行二级电解，二级电解后的一次洗涤水再补充新的一次洗涤水进行三级电解，以此类推。
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