PL170642B1 - Sposób oczyszczania kwasu fosforowego PL PL PL - Google Patents

Abstract

1. Sposób oczyszczania kwasu fosforowego, wytwarzanego w pracesie mokrym przez usuwa- nie zelaza, znamienny tym, ze jony Fe3+, obecne w kwasie fosforowym jako zanieczyszczenie, redukuje sie do jonów Fe2+, po czym po redukcji jony Fe2+ usuwa sie z kwasu fosforowego na drodze kationowej wymiany jonowej. PL PL PL

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób oczyszczania usuwania zelaza z kwasu fosforowego, wytwarzanego w procesie mokrym, przez usuwanie zelaza.

Kwas fosforowy wytwarza się w procesie mokrym pozwalając, aby kwas mineralny, najczęściej kwas siarkowy, reagował z koncentratem fosforanu wapnia, dzięki czemu powstaje rozcieńczony kwas fosforowy, zawierający około 30% P 2O 5 i osad siarczanu wapnia. Po filtracji, kwas zawiera wiele rodzajów anionowych zanieczyszczeń, takich jak siarczany i związki fluoru, i zanieczyszczeń kationowych, z których najważniejsze są żelazo, glin, magnez 1 wapń, jak również zanieczyszczeń organicznych. Ilość i rodzaj zanieczyszczeń zależy przede wszystkim od stosowanego jako surowiec surowego fosfatu.

Rozcieńczony kwas zatęza się przez odaprowanie do stężenia 50-60% P2O 5, dzięki czemu lotne zanieczyszczenia, takie jak związki fluoru, są usuwane wraz z odparowywaną parą wodną, natomiast stężenie innych zanieczyszczeń wzrasta.

Opracowano wiele sposobów oczyszczania w celu oczyszczania kwasu fosforowego wytwarzanego metodą mokrą, pozwalających zmniejszyć stężenie zanieczyszczeń do takiego poziomu, ze kwas moznaby stosować nawet w innych celach niz wytwarzanie nawozów.

Znane jest zastosowanie elektrochemicznego procesu oczyszczania. W procesie elektrochemicznym można wytwarzać kwas fosforowy o niskiej zawartości żelaza, ale proces ten zużywa dużo energii i dlatego jest drogi.

Z opublikowanego brytyjskiego opisu patentowego nr 1588413 znany jest sposób usuwania zelaza z kwasu fosforowego wytwarzanego metodą mokrą, w którym zelazo wytrąca się przy użyciu zelazocyjanku metalu alkalicznego lub żelazocyjanku amonowego. Ze względu na toksyczność cyjanków, a zwłaszcza kwasu cyjanowodorowego, sposób ten jednak nie jest zbyt atrakcyjny.

Znane jest ponadto ekstrahowanie kwasu fosforowego za pomocą rozpuszczalników organicznych, z których jest on ponownie ekstrahowany do fazy wodnej i zatężany. Większość żelaza pozostaje w fazie wodnej, z której można je usunąć wraz z rafinatem. Przez ekstrakcję nie osiąga się jednak dostatecznie małego stężenia żelaza, potrzebna jest dodatkowa operacja oczyszczania, taka

170 642 jak usuwanie żelaza z fazy organicznej przy użyciu anionowych żywic jonowymiennych (opis patentowy St. Zjedn. Am. nr 5006319), lub przeprowadzenie innych procedur oczyszczania (opis europejskiego zgłoszenia patentowego nr 327234). Inną wadą tego procesu jest to, ze jest on drogi. Wytworzony ekstrakt jest rozcieńczony jeśli chodzi o kwas fosforowy tak, ze konieczne jest zatężanie. Rozpuszczalnik musi być zawracany do obiegu po ponownej ekstrakcji lub destylacji. Faza organiczna często musi być oczyszczana przez poddanie dodatkowej obróbce. Oczyszczanie rafinatu jest kosztowne, a ponadto z produktu trzeba usunąć organiczne pozostałości tak, aby otrzymany produkt był przejrzysty jak woda. Co więcej, operowanie organicznymi rozpuszczalnikami może stwarzać trudności związane z higieną i bezpieczeństwem pracy oraz może stanowić zagrozeme pożarowe.

Wiadomo także, ze usuwanie żelaza z wodnego roztworu kwasu fosforowego za pomocą kationowej zywicy jonowymiennej nie powiodło się, gdyz Fe³⁺ tworzy tak trwałe kompleksy w kwasie fosforowym, że przechodzą one niezmienione obróbkę żywicą jonowymienną i usuwanie zelaza me kończy się powodzeniem.

Celem wynalazku jest w rzeczywistości wytwarzanie kwasu fosforowego, który właściwie nie zawiera żelaza i który można wytwarzać przy umiarkowanych kosztach, bez zagrożenia dla środowiska.

Nieoczekiwanie zaobserwowano, że jon Fe3+ tworzy mocniejsze kompleksy z jonem fluorkowym, występującym w kwasie fosforowym jako zanieczyszczenie, niż jon Fe²⁺. Podobnie, jon Fe³⁺ może występować w kwasie fosforowym jako kompleks fosforanowy. Ponieważ jony zelaza są związane w kompleksach, nie są one jako takie adsorbowane na kationowej żywicy jonowymiennej. Usuwanie żelaza za pomocą anionowej żywicy jonowymiennej także nie jest skuteczne.

Zgodnie ze sposobem według wynalazku, kompleksy Fe³⁺ ulegają rozbiciu przez redukcję jonów zelaza do wartościowości dwa. Kompleksy jonu Fe²⁺ z jonem fluorkowym i fosforanowym są bardziej nietrwałe niż odpowiadające im kompleksy Fe³+. Po redukcji, jony Fe²+ usuwa się na drodze kationowej wymiany jonowej.

Zasadniczą charakterystykę sposobu według wynalazku wskazano w załączonych zastrzezeniach patentowych.

Redukcję jonów Fc³+ można prowadzić za pomocą redukcji elektrolitycznej. Zaletą redukcji elektrolitycznej jest jej czystość; do oczyszczanego kwasu nie trzeba wprowadzać dodatkowych chemikaliów. Zwiększa to dostępną wydajność wymiany jonowej. Dalszą zaletą jest łatwość kontroli redukcji elektrolitycznej i fakt, że redukcję można prowadzić rzeczywiście do końca. Można także stosować redukcję chemiczną.

Redukcję elektrolityczną prowadzi się w elektrolizerze, w którym komory katodowa i anodowa są od siebie oddzielone przeponą lub membraną jonowymienną. Robi się to w celu zapobiegania ponownemu utlenianiu na anodzie jonu Fe3+, zredukowanego na katodzie. Prąd elektryczny doprowadza się do elektrod, których materiał można dobierać dowolnie tak, aby zminimalizować udział reakcji wtórnych i straty energii. Kwas, zawierający zanieczyszczenia, które mają być redukowane, służy jako katolit cyrkulujący w komorze katodowej. Jony Fe3+ są redukowane do jonów Fe2+ na katodzie, gdy włączy się napięcie pomiędzy elektrodami. Stosowany anolit może być albo kwasem fosforowym podobnym do kwasu podda wanego redukcji na katodzie, albo może być innym roztworem przewodzącym prąd elektryczny. Najważniejsze jest to, aby reakcje wtórne były minimalne.

Postęp redukcji można śledzić albo za pomocą analizy chemicznej albo elektrody redox. Po osiągnięciu pożądanego stopnia redukcji, kwas przenosi się do operacji wymiany jonowej. Jeśli trzeba, operacje redukcji i wymiany jonowej można powtórzyć.

Następującą po redukcji wymianę jonową prowadzi się, stosując kationowy środek jonowymienny. Powoduje się przepływ kwasu poddawanego oczyszczaniu przez pulpę jonowymienną w postaci kwasowej, podczas którego kationy przywierają do pulpy. Po nasyceniu pulpy kationami regeneruje się ją odpowiednim roztworem regenerującym i, gdy trzeba, przed nowym cyklem wymiany jonowej wymywa się wszelkie pozostałości roztworu regenerującego.

170 642

Kationowa żywica jonowymienna może być także w postaci Na+ lub K+, w którym to przypadku oczyszczony kwas fosforowy nadaje się do wytwarzania czystych fosforanów metali alkalicznych.

Siężenie oczyszczanego kwasu może zmieniać się w szerokich granicach. Podobnie, może zmieniać się stężenie jonu Fe^J+, obecnego jako zanieczyszczenie.

Temperatura, w której prowadzi się redukcję i/lub wymianę jonową można dobierać w zalezności od stosowanego materiału. Zwykle, redukcja elektrolityczna i wymiana jonowa przebiegają szybciej w temperaturze podwyższonej niz w temperaturze pokojowej.

Niżej podano kilka przykładów jedynie w celu zilustrowania wynalazku.

Pi zy kład I. Przykład porownawczy.

Z fosfatu Sulinjarvi wytworzono rozcieńczony kwas fosforowy. Przed obróbką jonowymienną stężenie P2O5 wynosiło 2⁷,3% a stężenie Fe 0,22%. Kwas fosforowy przepompowywano w temperaturze pokojowej przez makroporowatą silnie kationową żywicę Amberlite 200, z szybkością 100 ml/minutę. Wymiary kolumny jonowymiennej wynosiły: średnica 0,044 m, wysokość 2,93 m. Po obróbce jonowymiennej stężenie P2O 5 wynosiło 27,3% a stężenie Fe 0,17%. Usunięciu uległo 23% zelaza.

Przykład II. Z apatytu Siilinjarvi wytworzono rozcieńczony kwas fosforowy. Przed obróbką jonowymienną stężenie P2O 5 wynosiło 25,5% a stężenie Fe 0,27%.

Fe³⁺ redukowano w elektrolizerze z wypełnieniem grafitowym, przy czym komory elektrod były oddzielone od siebie membraną jonowymienną. Roztwór poddawany redukcji cyrkulował po stronie katody. Po stronie anody stosowano kwas siarkowy o takim samym stężeniu. Nominalna powierzchnia właściwa elektrody wynosiła 8 dm², a obliczona na tej podstawie gęstość prądu 250 A/m². Redukcję przerwano, gdy konwersja Fe³⁺ wynosiła > 99%. Kwas fosforowy przepompowywano w temperaturze pokojowej przez kolumnę jonowymienną wspomnianą w przykładzie I, z szybkością 100 ml/minutę. Po obróbce jonowymiennej stężenie P2O5 wynosiło 25,0% a stężenie Fe 0,007%.

Przykładni. Z apatytu Siilinjarvi wytworzono rozcieńczony kwas fosforowy Przed obróbką jonowymienną stężenie P2O5 wynosiło 35,0% a stężenie Fe 0,37%.

Redukcję Fe³⁺ prowadzono zgodnie z przykadem II. Kwas fosforowy przepompowywano w temperaturze 70°C przez kolumnę jonowymienną wspomnianą w przykładzie I, z szybkością 100 ml/minutę. Po obróbce jonowymiennej stężenie P2O5 wynosiło 33,7% a stężenie Fe0,0168%.

Przykład IV. Z apatytu Siilinjarvi wytworzono rozcieńczony kwas fosforowy. Przed redukcją na drodze obróbki elektrolitycznej stężenie P 2O 5 wynosiło 26,2% a stężenie Fe 0,10%. Jony Fe³⁺ redukowano do jonów Fe2+ w elektrolizerze o powierzchni elektrody 0,5 m2. Komory elektrod były oddzielone od siebie ceramiczną przeponą. Stosowana gęstość prądu wynosiła 180 A/m2. Pod koniec redukcji konwersja Fe³⁺ wynosiła 99,8%. Po redukcji kwas wprowadzono, w temperaturze pokojowej, z szybkością 200 ml/minutę, na kolumnę jonowymienną z Amberlite 200 o średnicy 0.1 m 1 wysokości 1,5 m.

Po obróbce jonowymiennej stężenie P2O5 wynosiło 24,5% a stężenie Fe 0,0015%.

Departament Wydawnictw UP RP. Nakład 90 egz. Cena 2,00 zł

Claims (6)

1. Zastrzeżenia patentowe l Sposób oczyszczania kwasu fosforowego, wytwarzanego w pracesie mokrym przez usuwanie żelaza, znamienny tym, ze jony Fe³⁺, obecne w kwasie fosforowym jako zanieczyszczenie, redukuje się do jonów Fe²+ po czym po redukcji iony Fe²+ usuwa się z kwasu fosforowego na drodze kationowej wymiany jonowej.
2. 2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że jony Fe3⁺, obecne w kwasie fosforowym jako zanieczyszczenie, redukuje się elektrolitycznie.
3. 3 Sposób według zastrz. 2. znamienny tym, że redukcję elektrolityczną prowadzi się w elektrolizerze, w którym komory katodowa i anodowa są od siebie oddzielone przeponą lub membraną jonowymienną.
4. 4. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, ze kationową wymianę jonową prowadzi się za pomocą mocnej żywicy jonowymiennej w postaci kwasowej.
5. 5. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że kationową wymianę jonową prowadzi się za pomocą żywicy jonowymiennej w postaci Na+ lub K+.
6. 6. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że redukcję i/lub operację kationowej wymiany jonowej można prowadzić powtórnie.