CN109809381A - 一种有机磷回收制备磷酸铁的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机磷回收制备磷酸铁的方法，其包括如下步骤：a、磷酸钙污泥中加入盐酸溶液，加热溶解，过滤；b、向步骤a得到的滤液中加入氯化亚铁溶液，反应得到含Fe(H2PO4)2的反应液，过滤；c、将步骤b中得到的滤液加入过氧化氢，进行氧化反应，再加入聚乙二醇溶液，至反应完全；d、向所述步骤c得到的溶液中加入蒸馏水，水解，析出磷酸铁晶体,经分离、洗涤、干燥后得到磷酸铁产品。本发明的制备方法采用有机磷回收的磷酸钙污泥作为磷源，有效利用了有机磷回收的废料，丰富了磷酸铁制备的原料来源，降低了电池级磷酸铁制备的原料成本。
Description
技术领域
本发明涉及磷酸铁制备领域，特别是涉及一种有机磷回收制备磷酸铁的方法。
背景技术
国内有机磷农药行业是国民基础农林牧行业的重要组成部分，其制备的有机磷农药主要用于防止植物病，虫，草害等。其在农林牧行业具有非常广泛的使用。我国生产的有机磷农药大多数为杀虫剂，如常用的对硫磷、内吸磷、马拉硫磷、乐果、敌百虫及敌敌畏等，近几年来已先后合成杀菌剂、杀鼠剂等有机磷农药。有机磷农药行业所生产的废水中含有大量的磷元素，而磷元素对于江河水体环境破环十分严重，易造成水体富营养化。因此，国家工信部结合农业部及监管部门对于有机磷农药行业的生产废水始终保持常态化的监测和关注，要求其处理后的废水中磷元素含量不得超过国标0.5mg/L；因此，极其严苛的排放标准造成厂区内生产废水处理成本的大量增加，对于有机磷行业的产值和产能都造成了极大限制。国内工业生产废水除磷主要通过化学沉淀法，化学除磷主要是通过化学沉析过程完成的。化学沉析是指通过向污水中投加无机金属盐药剂与污水中溶解性的盐类(如磷酸盐等)反应生成颗粒状、非溶解性的物质。实际上投加化学药剂后，污水中进行的不仅是沉析反应，同时还发生着化学絮凝作用，即形成的细小的非溶解状的固体物互相粘结成较大形状的絮凝体。化学沉析法是目前国际上最主流的工业水处理除磷方法，通过对水体中有效成分的测量和判定，选取合适的沉淀剂，并调控溶液PH至指定范围，则除磷后废水中总磷含量将至2mg/L以下。将沉淀物经分离、沉降离心后得到污泥含水率大约为80-95％，而其中磷含量占干泥的10％以上，具有很高的回收利用价值。
随着经济的不断发展，人口的不断增长，能源需求日益紧张，环境污染也日益严重。因此，研发新型的材料，寻求新型的绿色能源对目前来说是比较重要的方向。能源的存储与转化对充分的利用地球资源和改善人类的生存环境起着重要的作用。电池作为一种将化学能源转化为电能的装置在国民生活中的地位越来越重。而锂离子电池一直被认为是高容量、大储能的理想之选，磷酸铁是制备锂离子电池的重要原料。对于锂离子电池来说，它的成功应用更多的取决于正负极材料。目前作为锂离子动力电池正极材料的研究相对而言较为滞后，成为了制约锂离子电池整体性能进一步提高的关键因素。而且正极材料的成本占比较重，因此，研发出低成本，高品质电池级磷酸铁来制备正极材料对推动整个行业的发展有着重大的意义。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种有机磷回收制备磷酸铁的方法，该制备方法有效利用了有机磷回收的磷酸钙污泥，为磷酸铁的制备提供了一种全新的原料来源，制备成本低，制得的磷酸铁纯度高，环境友好。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种有机磷回收制备磷酸铁的方法，其包括如下步骤：
a、磷酸钙污泥中加入盐酸溶液，加热溶解，过滤；
b、向步骤a得到的滤液中加入氯化亚铁溶液，反应得到含Fe(H2PO4)2的反应液，过滤；
c、将步骤b中得到的滤液加入过氧化氢，进行氧化反应，再加入聚乙二醇溶液，至反应完全；
d、向所述步骤c得到的溶液中加入蒸馏水，水解，析出磷酸铁晶体,经分离、洗涤、干燥后得到磷酸铁产品。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤a中盐酸溶液质量浓度为16-25％，所述加热的温度为40-60℃，加热2-5小时。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤b中，测定步骤a中所得滤液的磷酸根含量，按照铁和磷酸根摩尔比为1.05-1.15:1加入氯化亚铁溶液，反应得到含Fe(H2PO4)2的反应液，过滤。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤b中铁和磷酸根的摩尔比为1.1:1。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，所述聚乙二醇质量浓度为30-55％。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，将步骤b中得到的滤液加入过氧化氢，进行氧化反应，反应50-70分钟后，加入聚乙二醇溶液，至反应完全。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，控制所述氧化反应的温度为18-45℃。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，向所述步骤c得到的溶液中加入蒸馏水，搅拌5-10分钟后，加热到70-90℃，保温50-70分钟，充分水解，析出磷酸铁晶体。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，所述分离采用压滤机进行分离，经反复压滤洗涤后，洗涤后溶液的pH值为5.9-6.1。
上述有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，将洗涤压滤后的固体磷酸铁通过闪蒸方式去除表面水，得到干燥的二水磷酸铁FePO4·2H2O，将二水磷酸铁在380-420℃下高温脱水得到磷酸铁。
本发明的有机磷回收制备磷酸铁的方法具有如下有益效果：
1、本发明的制备方法采用有机磷回收的磷酸钙污泥作为磷源，有效利用了有机磷回收的废料，丰富了磷酸铁制备的原料来源，降低了电池级磷酸铁制备的原料成本；
2、本发明的制备方法中采用铁/磷酸根的摩尔比为1.05-1.15:1，制得的磷酸铁产品中具有较高的铁/磷比，能够达到电池级磷酸铁的技术指标。
3、本发明的制备方法工艺简单，制得的磷酸铁纯度高，可以达到99.2％以上，有机磷回收率高，可以达到90％以上，环境友好。
附图说明
图1为本发明实施例1制得的磷酸铁的扫描电镜图，(a)、(b)、(c)、(d) 为不同放大倍率的扫描电镜图；
图2为对比例1制得的磷酸铁的扫描电镜图；
图3为对比例2制得的磷酸铁的扫描电镜图；
图4为实施例1制得的磷酸铁的粒径分布图；
图5为对比例1制得的磷酸铁的粒径分布图；
图6为对比例2制得的磷酸铁的粒径分布图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细描述本发明。
实施例1
(1)制备磷酸二氢亚铁工序
将质量浓度为16％盐酸溶液加入反应釜中，向反应釜中加入磷酸钙污泥，加热至50℃左右进行反应，反应3小时后过滤，测定磷酸根含量。按照铁/磷酸根摩尔比为1.1:1加入氯化亚铁溶液，混合得到含Fe(H2PO4)2的反应液；将反应液过滤至清洁透明，无悬浮沉淀物，所得到的滤液供氧化工序用。
(2)氧化工序
将所述滤液打入反应釜中，加热至30℃，开始搅拌，以细流缓慢加入过氧化氢，反应60分钟后，继续搅拌，加入分散剂45％聚乙二醇溶液，至反应完全；
反应方程式为：
2Fe(H2PO4)2+H2O2＝2FePO4+2H3PO4+2H2O。
(3)水解工序
向氧化后溶液中加入蒸馏水，搅拌约5-10分钟后，加热到80℃，保温50 分钟后，充分水解，析出磷酸铁晶体。
(4)压滤洗涤工序
将水解后的料液用压滤机进行压滤分离，收集滤出液，将滤出的固相料体用水洗涤，收集洗涤后液并测定其pH值，以洗涤后液的pH值在5.9-6.1之间为目标，洗涤、压干反复进行，直至洗涤后液体的pH值在5.9-6.1范围内。
(5)干燥和脱水工序
将压干后的固体磷酸铁通过闪蒸方式去除表面水，产出干燥的二水磷酸铁FePO4·2H2O，将二水磷酸铁导入炉具，在380℃高温脱水形成磷酸铁。
反应方程式为：
本实施例制得的磷酸铁的扫描电镜图见图1，电镜图中的晶体片状结构层次分明，没有明显的团聚体，晶体颗粒规则生长结构一致。
本实施例制得的磷酸铁的粒径分布图见图4，其粒度分布均匀，分布集中，表明产品的结晶过程集中，平稳且受控。
采用本实施例的方法对磷酸钙污泥中的磷回收率可达92％，制得的磷酸铁纯度为99.5％。本实施例制得的磷酸铁产品的铁磷比为0.973，见表1。
实施例2
(1)制备磷酸二氢亚铁工序
将质量浓度为20％盐酸溶液加入反应釜中，向反应釜中加入磷酸钙污泥，加热至40℃左右进行反应，反应5小时后过滤，测定磷酸根含量。按照铁/磷酸根摩尔比为1.05:1加入氯化亚铁溶液，混合得到含Fe(H2PO4)2的反应液；将反应液过滤至清洁透明，无悬浮沉淀物，所得到的滤液供氧化工序用。
(2)氧化工序
将所述滤液打入反应釜中，加热至45℃，开始搅拌，以细流缓慢加入过氧化氢，反应50分钟后，继续搅拌，加入分散剂质量浓度为35％的聚乙二醇溶液，至反应完全；
反应方程式为：
2Fe(H2PO4)2+H2O2＝2FePO4+2H3PO4+2H2O。
(3)水解工序
向氧化后溶液中加入蒸馏水，搅拌约5-10分钟后，加热到90℃，保温50 分钟后，充分水解，析出磷酸铁晶体。
(4)压滤洗涤工序
将水解后的料液用压滤机进行压滤分离，收集滤出液，将滤出的固相料体用水洗涤，收集洗涤后液并测定其pH值，以洗涤后液的pH值在5.9-6.1之间为目标，洗涤、压干反复进行，直至洗涤后液体的pH值在5.9-6.1范围内。
(5)干燥和脱水工序
将压干后的固体磷酸铁通过闪蒸方式去除表面水，产出干燥的二水磷酸铁FePO4·2H2O，将二水磷酸铁导入炉具，在400℃高温脱水形成磷酸铁。
反应方程式为：
采用本实施例的方法对磷酸钙污泥中的磷回收率可达91％，制得的磷酸铁纯度为99.2％。本实施例制得的磷酸铁产品的铁磷比为0.971，见表1。
实施例3
(1)制备磷酸二氢亚铁工序
将质量浓度为25％盐酸溶液加入反应釜中，向反应釜中加入磷酸钙污泥，加热至60℃左右进行反应，反应2小时后过滤，测定磷酸根含量。按照铁/磷酸根摩尔比为1.15:1加入氯化亚铁溶液，混合得到含Fe(H2PO4)2的反应液；将反应液过滤至清洁透明，无悬浮沉淀物，所得到的滤液供氧化工序用。
(2)氧化工序
将所述滤液打入反应釜中，控制反应釜温度为18℃，开始搅拌，以细流缓慢加入过氧化氢，反应70分钟后，继续搅拌，加入分散剂质量浓度为55％的聚乙二醇溶液，至反应完全；
反应方程式为：
2Fe(H2PO4)2+H2O2＝2FePO4+2H3PO4+2H2O。
(3)水解工序
向氧化后溶液中加入蒸馏水，搅拌约5-10分钟后，加热到70℃，保温70 分钟后，充分水解，析出磷酸铁晶体。
(4)压滤洗涤工序
将水解后的料液用压滤机进行压滤分离，收集滤出液，将滤出的固相料体用水洗涤，收集洗涤后液并测定其pH值，以洗涤后液的pH值在5.9-6.1之间为目标，洗涤、压干反复进行，直至洗涤后液体的pH值在5.9-6.1范围内。
(5)干燥和脱水工序
将压干后的固体磷酸铁通过闪蒸方式去除表面水，产出干燥的二水磷酸铁FePO4·2H2O，将二水磷酸铁导入炉具，在420℃高温脱水形成磷酸铁。
反应方程式为：
采用本实施例的方法对磷酸钙污泥中的磷回收率可达92％，磷酸铁纯度为99.4％。本实施例制得的磷酸铁产品的铁磷比为0.969，见表1。
对比例1
对比例1的制备磷酸铁的方法与实施例1相同，不同之处在于加入氯化亚铁溶液的量不同，对比例1中按照铁/磷酸根摩尔比为0.98:1加入氯化亚铁溶液。对比例1制得的磷酸铁产品的铁磷比见表1，扫描电镜图见图2，粒径分布图见图5。
对比例2
对比例2的制备磷酸铁的方法与实施例1相同，不同之处在于加入氯化亚铁溶液的量不同，对比例2中按照铁/磷酸根摩尔比为1.21:1加入氯化亚铁溶液。对比例2制得的磷酸铁产品的铁磷比见表1，扫描电镜图见图3，粒径分布图见图6。
表1
注:电池级磷酸铁产品铁磷比规范指的是磷酸铁成品中铁和磷元素的摩尔质量比＝0.965-1.02，在工业化生产中，考虑到产品杂质和成本，以铁和磷元素的摩尔质量比为0.965-0.980的磷酸铁作为磷酸铁锂动力电池正极材料的前驱体,因此，本表中磷酸铁技术指标中铁/磷为0.965-0.98。
通过表1，可以看到，实施例1、2和3制得的磷酸铁产品均能达到电池级磷酸铁的技术指标，而采用对比例1和对比例2中的铁和磷酸根的摩尔比，制得的磷酸铁产品中铁/磷比很低，无法达到电池级磷酸铁的标准。本发明采用了铁和磷酸根的摩尔比为1.05-1.15：1，优选采用铁和磷酸根的摩尔比为1.1:1，制得的磷酸铁中铁/磷比高达0.973。
图1、图2和图3分别为实施例1、对比例1和对比例2制得的磷酸铁产品的扫描电镜图，实施例1制得磷酸铁产品晶体片状结构层次分明，没有明显的团聚体，晶体颗粒规则生长结构一致。而对比例1和对比例2制得的磷酸铁产品整体结构不清晰，晶体分布不均匀，有粒状团聚晶体出现。
图4、图5和图6分别为实施例1、对比例1和对比例2制得的磷酸铁产品的粒径分布图，实施例1制得的磷酸铁产品粒径粒度分布均匀，分布集中，表明产品的结晶过程集中，平稳且受控，有利于后续根据电池厂家需求的二次粒度精致。通过图5和图6，对比例1和对比例2制得的磷酸铁产品，从粒度分布图中能够看出，均出现了两个峰，表明在产品结晶过程中出现了二次堆积生长的情况。
本发明通过实验摸索，将反应液中铁/磷酸根摩尔比控制在1.05-1.15：1，制得了铁磷比高、晶体结构层次分明，没有二次团聚产生的磷酸铁产品，符合电池级磷酸铁的产品要求。
Claims (10)
1.一种有机磷回收制备磷酸铁的方法，其包括如下步骤：
a、磷酸钙污泥中加入盐酸溶液，加热溶解，过滤；
b、向步骤a得到的滤液中加入氯化亚铁溶液，反应得到含Fe(H2PO4)2的反应液，过滤；
c、将步骤b中得到的滤液加入过氧化氢，进行氧化反应，再加入聚乙二醇溶液，至反应完全；
d、向所述步骤c得到的溶液中加入蒸馏水，水解，析出磷酸铁晶体,经分离、洗涤、干燥后得到磷酸铁产品。
2.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤a中盐酸溶液质量浓度为16-25％，所述加热的温度为40-60℃，加热2-5小时。
3.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤b中，测定步骤a中所得滤液的磷酸根含量，按照铁和磷酸根摩尔比为1.05-1.15:1加入氯化亚铁溶液，反应得到含Fe(H2PO4)2的反应液，过滤。
4.如权利要求3所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤b中铁和磷酸根的摩尔比为1.1:1。
5.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，所述聚乙二醇质量浓度为30-55％。
6.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，将步骤b中得到的滤液加入过氧化氢，进行氧化反应，反应50-70分钟后，加入聚乙二醇溶液，至反应完全。
7.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤c中，控制所述氧化反应的温度为18-45℃。
8.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，向所述步骤c得到的溶液中加入蒸馏水，搅拌5-10分钟后，加热到70-90℃，保温50-70分钟，充分水解，析出磷酸铁晶体。
9.如权利要求1所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，所述分离采用压滤机进行分离，经反复压滤洗涤后，洗涤后溶液的pH值为5.9-6.1。
10.如权利要求9所述的有机磷回收制备磷酸铁的方法，其中，所述步骤d中，将洗涤压滤后的固体磷酸铁通过闪蒸方式去除表面水，得到干燥的二水磷酸铁FePO4·2H2O，将二水磷酸铁在380-420℃下高温脱水得到磷酸铁。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication | ||
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Application publication date: 20190528 |