CN111377421A - α石膏的制备方法以及利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及α石膏的制备方法以及利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,属于磷矿清洁加工利用技术领域。α石膏的制备方法,将磷酸钙盐与硫酸溶液混合,在90~110℃下反应0.5~1h,固液分离得到α石膏和磷酸;其中,磷酸钙盐为Ca(PO4)3、CaHPO4、Ca(H2PO4)2中的至少一种;所述硫酸溶液的浓度为40~60wt%。本发明α石膏的制备方法简单,直接制得高强度α半水石膏,无需再进行转化。
Description
技术领域
本发明涉及α石膏的制备方法以及利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,属于磷矿清洁加工利用技术领域。
背景技术
湿法磷酸是用无机酸分解磷矿石制取磷酸的方法,主要是三大无机酸:盐酸、硫酸、硝酸。其中,硫酸法流程由于其工艺流程较短,生产成本较其他方法低,因而被世界范围内广泛采用,我国80%以上工厂也采用此方法。我国虽是磷矿资源大国,但是主要以中低品位胶磷矿为主,磷矿品位不高、杂质含量高。现有的磷酸生产工艺主要是针对高品位磷矿,对于利用中低品位磷矿生产效果不佳。因此,开发新的适用于中低品位磷矿工艺是当前我国磷化工行业面临的首要问题。
硫酸法制磷酸会产生大量的二水磷石膏,二水石膏没有胶凝性,不能直接用做建材,经过煅烧后只能得到性能较差的β型半水石膏粉,石膏的强度低,限制了磷石膏的适用范围。因此大量的磷石膏只能当做固体废弃物堆置。目前我国磷石膏的年排放量超过7000万吨,综合利用率只有20%左右,累计堆存量超过3亿吨。大量磷石膏的堆存不仅占用土地,还污染了环境,限制了磷化工行业的良性可持续发展。如何避免或解决磷化工行业面临的石膏固废问题对磷化工行业有着重大意义。
α半水石膏也叫高强石膏,是指在加压水蒸汽或水热条件下溶解-析晶呈柱状、短柱状或棒状的晶体,在标准稠度下有较低的水膏比,抗折强度大、抗压强度高等特点,被广泛应用于陶瓷、精密铸造、医用、航空、船舶、汽车、塑料、建筑艺术及工艺美术等领域,社会需求量非常大。
要制得α半水石膏,现有方法一般是先制得二水石膏,再将二水石膏转化为α半水石膏,工序繁杂。另外,现有技术中要通过二水石膏制得性能好的α半水石膏,通常需要二水石膏有较高的纯度。传统的硫酸法制磷酸过程中产生的二水石膏,其杂质含量较大,无法直接制得性能好的α半水石膏。为了提高二水石膏的纯度,申请号为201110022191.8的专利《一种硝酸分解磷矿生产硝酸磷肥副产石膏的方法》公开了一种生产磷酸联产石膏的方法,先分离酸不溶物,再用硫酸沉淀钙离子,该法制得的二水石膏,要想得到α石膏还需进一步转化。
申请号为201110295464.6的专利《一种利用硝酸萃取磷矿联产石膏晶须的方法》提到一种制备硫酸钙的方法。该专利直接使用硝酸浸取磷矿粉,再将酸解液冷冻结晶,得到硝酸钙和磷酸,硝酸钙再与硫酸和硫酸镁反应,得到硫酸钙。该专利的方法中,原料要求高品位磷矿,且通过冷冻分离四水硝酸钙使酸解液中钙磷分离不彻底。另外,专利中没有给出分离四水硝酸钙后的含磷滤液的去向。
基于上述问题,本发明提出一种新的生产工艺,可以一步制备出性能好的α-石膏,并且可以充分利用我国的各种品位磷矿,联产α-石膏和磷酸,避免磷石膏固废的产生。
发明内容
本发明要解决的第一个技术问题是提供一种α石膏的制备方法。该制备方法简单,制得的α石膏性能优异。
α石膏的制备方法,将磷酸钙盐与硫酸溶液混合,在90~110℃下反应0.5~1h,固液分离得到α石膏和磷酸;其中,磷酸钙盐为Ca(PO4)3、CaHPO4、Ca(H2PO4)2中的至少一种;所述硫酸溶液的浓度为40~60wt%。
本发明解决的第二个技术问题是提供一种利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法。
利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,包括以下步骤:
a、采用硝酸和磷矿混合,30~70℃反应0.5~2h,再固液分离,得到酸解液;
b、将酸解液中和至pH为6.5~8,固液分离,得到固相I和液相I;所述固相I即为磷酸钙盐;
c、采用权利要求1~3任一项所述的α石膏的制备方法,将固相I制备为α石膏和磷酸。
在一种实施方式中,步骤a中,磷矿为粉状或浆状,以磷矿中水含量为0~40wt%计;硝酸浓度为30~70wt%。
在一种实施方式中,步骤a中,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.2倍;优选的,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.1倍。
在一种实施方式中,步骤a中,固液分离分两步进行,先进行沉降分离,再将沉降分离后的液体进行过滤分离。
在一种实施方式中,步骤b中,所述中和采用碱性中和剂;优选的,所述碱性中和剂为气氨、氨水、石灰石、石灰乳、碳酸铵或碳酸氢铵中的至少一种;进一步优选的,所述碱性中和剂为碳酸钙和石灰乳。
在一种实施方式中,将液相I加入含营养元素的物质调节产品养分,得到硝酸钙肥料或硝酸铵钙肥料;优选的,所述含营养元素的物质为氨、硝酸铵或硝酸钙中的至少一种。
本发明的有益效果:
1、本发明中的磷酸氢钙系硝酸分解中低品位磷矿的酸解液被氨中和后得到的产物,解决了传统硝酸法中水溶性钙盐难以分离的问题,经过硫酸的转化制备了不含硝酸根的磷酸,其杂质含量低、用途广泛。
2、本发明充分资源化利用磷矿中的钙、磷元素,实现磷矿清洁加工利用与高附加值的产品生产。
3、本发明无需进行冷冻,节约了成本。
4、本发明α石膏的制备方法简单,不需要先制得二水石膏,再进行转化;并且制得的α石膏晶型好、力学性能优异。
附图说明
图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
α石膏的制备方法,将磷酸钙盐与硫酸溶液混合,在90~110℃下反应0.5~1h,固液分离得到α石膏和磷酸;其中,磷酸钙盐为Ca(PO4)3、CaHPO4、Ca(H2PO4)2中的至少一种;所述硫酸溶液的浓度为40~60wt%。
本发明解决的第二个技术问题是提供一种利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法。
利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,包括以下步骤:
a、采用硝酸和磷矿混合,30~70℃反应0.5~2h,再固液分离,得到酸解液;
b、将酸解液中和至pH为6.5~8,固液分离,得到固相I和液相I;所述固相I即为磷酸钙盐;
c、采用所述的α石膏的制备方法,将固相I制备为α石膏和磷酸。
其中,步骤a中,发生的主要反应为:
Ca5F(PO4)3+10HNO3=5Ca(NO3)2+3H3PO4+HF↑。
本发明步骤a中,采用稀硝酸分解磷矿得到酸解液中P2O5浓度低,磷矿中含铁铝的低活性矿石分解率低,难溶杂质溶出量少,相当一部分存在于酸不溶物中通过过滤分离出体系。相比硫酸法,溶液中Fe、Al等杂质离子更少,溶液的MER值小。
步骤b中,中和至6.5≤pH≤8.0,其目的是为了将酸解液中的磷全部沉淀。固液分离后,固相I主要为CaHPO4、Ca3(PO4)2和CaF2,以及少量的Fe3+、Al3+、Mg2+的金属磷酸盐;液相I主要为NO3 -、Ca2+,以及微量的H2PO4 -、HPO4 2-。
在一种具体的实施方式中,步骤a中,磷矿为粉状或浆状,当磷矿中水含量为0%时,则为粉状,而随着水含量的增加,磷矿将会变成浆状,比如,当磷矿中水含量为40%时,则为矿浆。本发明方法中,需要严格控制硝酸溶液的浓度。以磷矿中水含量0~40wt%计,硝酸溶液的浓度为30~70wt%,也就是说,当原料磷矿中水含量为0~40wt%时,硝酸溶液的浓度控制为30~70wt%.如果原料磷矿中水含量超过40wt%,则硝酸溶液的浓度需要根据磷矿中水含量进行计算。
在一种实施方式中,步骤a中,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.2倍;优选的,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.1倍。
磷矿完全反应理论耗酸量,可以根据磷矿中各组分的含量进行计算。比如,检测某磷矿中与酸反应的主要成分为氧化钙、氧化镁、氧化铁和氧化铝,可以根据上述各组分的含量,计算得到该磷矿中氧化钙、氧化镁、氧化铁、氧化铝完全反应的理论耗酸量,即磷矿完全反应理论耗酸量。
其中,步骤a中的固液分离可以采用常规方法进行。
在一种具体的实施方式中,可以采用板框式过滤器进行固液分离。
在另一种具体的实施方式中,步骤a中,固液分离分两步进行,先进行沉降分离,再将沉降分离后的液体进行过滤分离。
在一种实施方式中,步骤b中,所述中和采用碱性中和剂;优选的,所述碱性中和剂为气氨、氨水、石灰石、石灰乳、碳酸铵和碳酸氢铵中的至少一种;进一步优选的,所述碱性中和剂为碳酸钙和石灰乳。
为了提高磷酸的纯度,使钙离子沉淀完全,控制硫酸溶液中的SO4 2-与磷酸钙盐中的Ca2+的摩尔比为0.95~1.1:1,优选的,硫酸溶液中的SO4 2-与磷酸钙盐中的Ca2+的摩尔比为1:1。
在一种实施方式中,将液相I加入含营养元素的物质调节产品养分,得到硝酸钙肥料或硝酸铵钙肥料;优选的,所述含营养元素的物质为氨、硝酸铵和硝酸钙中的至少一种。
生产硝酸铵钙的主要发生如下反应:
H++NO3 -+NH3+Ca2+→5Ca(NO3)2·NH4NO3·10H2O。
本领域常用的磷矿均适用于本发明。在一种具体的实施方式中,所述磷矿中的P2O5含量为15~30wt%;优选的,所述磷矿中F含量为1.5~3.0wt%。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述,并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
下述实施例中的石膏3d抗压强度按GB/T 17669.3-1999及JCT 2038-2010标准中所述。
实施例1
本实例中选用磷矿P2O5、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、F含量分别为30.41%、41.30%、1.48%、1.94%、1.03%、9.93%、2.99%,制成磷矿粉。具体工艺如下:
(1)一级酸解:将含水量为40%的磷矿浆和硝酸溶液混合,30℃反应2h,得到固液混合物,固液分离后得到酸不溶物及液相;其中,磷矿粉为100g,40wt%硝酸溶液310g;其中酸解液质量为455.5g,酸解液中的P2O5含量6.6%,CaO含量为9.5%;
(2)中和:将步骤(1)得到的液相利用碳酸钙和石灰乳进行中和至溶液pH=7.0再进行固液分离,得到液相I和72.2g固相I;
(3)将固相Ι和103g浓度为40wt%的稀硫酸混合,在95℃下反应1h,然后固液分离,得到60.9g固体和114g液体;经检测,所得固体为α石膏,测得其干抗压强度为30.5MPa;所述液体为磷酸溶液,磷酸溶液中,P2O5的浓度为26.1wt%,杂质含量为0.6wt%。
(4)液相I去生产硝酸铵钙肥料。
实施例2
本实例中选用磷矿P2O5、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、F含量分别为26.70%、41.53%、2.34%、0.60%、0.53%、19.75%、2.50%,制成磷矿粉。具体工艺如下:
(1)一级酸解:将不含水量的磷矿浆和硝酸溶液混合,60℃反应1.2h,得到固液混合物,固液分离后得到酸不溶物及液相;其中,磷矿粉为100g,30wt%硝酸溶液330g;其中酸解液质量为399g,酸解液中的P2O5含量6.5%,CaO含量为10.1%;
(2)中和:将步骤(1)得到的液相利用碳酸钙和石灰乳进行中和至溶液pH=7.3;再进行固液分离,得到液相I和61.5g固相I;
(3)将固相I和64g浓度为55%的稀硫酸混合,在95℃下反应0.5h。得到52g固体和73.4g液体;其中,经检测,所得固体为α石膏,测得其干抗压强度为32.7Mpa;所述液体为磷酸溶液,磷酸溶液中,P2O5的浓度为34.6wt%,杂质含量为0.8wt%。
(4)液相I去生产硝酸铵钙肥料。
实施例3
本实例中选用磷矿P2O5、CaO、MgO、Fe2O3、Al2O3、SiO2、F含量分别为18.12%、29.46%、2.74%、1.63%、3.73%、34.53%、1.62%,制成磷矿粉。具体工艺如下:
(1)一级酸解:将含水量为20%的磷矿浆和硝酸溶液混合,60℃反应1h,得到固液混合物,固液分离后得到酸不溶物及液相;其中,磷矿粉为100g,65wt%硝酸溶液150g;其中酸解液质量为230g,酸解液中的P2O5含量7.8%,CaO含量为12.7%;
(2)中和:将步骤(1)得到的液相利用碳酸钙和石灰乳进行中和至溶液pH=8.0;再进行固液分离,得到液相I和43g固相I;
(3)将固相I和50g浓度为50%的稀硫酸混合,在105℃下反应0.5h。得到36.3g固体和56g液体;其中,经检测,所得固体为α石膏,测得其干抗压强度为31.4Mpa;所述液体为磷酸溶液,磷酸溶液中,P2O5的浓度为31.8wt%,杂质含量为1wt%。
(4)液相I去生产硝酸铵钙肥料。
对比例1
在实施例1的基础上,仅改变步骤(3)的工艺,其余原料和工艺与实施例1相同。步骤(3)工艺为:将固相Ι和103g浓度为40wt%的稀硫酸混合,在85℃下反应1h,然后固液分离,得到固体。经检测,所得固体为CaSO4·2H2O,而二水石膏不是建筑材料,无法实现本专利技术可制备建筑材料的优势。
Claims (10)
1.α石膏的制备方法,其特征在于,将磷酸钙盐与硫酸溶液混合,在90~110℃下反应0.5~1h,固液分离得到α石膏和磷酸;其中,磷酸钙盐为Ca(PO4)3、CaHPO4、Ca(H2PO4)2中的至少一种;所述硫酸溶液的浓度为40~60wt%。
2.利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,包括以下步骤:
a、采用硝酸和磷矿混合,30~70℃反应0.5~2h,再固液分离,得到酸解液;
b、将酸解液中和至pH为6.5~8,固液分离,得到固相I和液相I;所述固相I即为磷酸钙盐;
c、采用权利要求1所述的α石膏的制备方法,将固相I制备为α石膏和磷酸。
3.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤a中,磷矿为粉状或浆状,以磷矿中水含量为0~40wt%计;硝酸浓度为30~70wt%。
4.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤a中,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.2倍。
5.根据权利要求4所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤a中,硝酸用量为磷矿完全反应理论耗酸量的0.9~1.1倍。
6.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤a中,固液分离分两步进行,先进行沉降分离,再将沉降分离后的液体进行过滤分离。
7.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤b中,所述中和采用碱性中和剂。
8.根据权利要求7所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,步骤b中,所述碱性中和剂为气氨、氨水、石灰石、石灰乳、碳酸铵和碳酸氢铵中的至少一种;优选的,所述碱性中和剂为碳酸钙和石灰乳。
9.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,将液相I加入含营养元素的物质调节产品养分,得到硝酸钙肥料或硝酸铵钙肥料。
10.根据权利要求2所述的利用磷矿制备磷酸和α石膏的方法,其特征在于,所述含营养元素的物质为氨、硝酸铵和硝酸钙中的至少一种。
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