（化学工艺专业论文）湿法磷酸的离子交换法除镁研究.pdf

贵州人学硕十学位论文湿法磷酸的离了交换法除镁研究 摘要 生产湿法磷酸时，磷矿中的镁离子经反应以后将全部进入磷酸溶液中。镁的存在 会增大磷酸的黏度；增加传质阻力；降低磷矿分解过程的速率；并增加过程能耗。此 外，镁离子的存在还会影响以磷酸为原料生产的产品的性能，不仅会降低肥料中水溶 性p ：0 。的含量，而且使肥料产品的物理性能变差，结块性上升，不利于肥料运输、贮 存和施用，导致湿法浓磷酸中淤泥生成，从而导致设备结垢和管道堵塞。因此，净化 湿法磷酸除去镁杂质就有现实意义，也受到人们的关注和研究。 本文采用离子交换法净化湿法磷酸中的镁。选用国产的交联度为7 的苯乙烯系磺酸 基强酸性阳离子交换树脂，即0 0 1 7 型树脂。 采用静态离子交换法研究湿法磷酸中镁离子净化实验表明，交换过程在室温下进 行，反应时间为l o m i n ，处理1 5 0 m l 原料磷酸采用树脂量为6 0 9 。在上述工艺条件下， 进行一次交换过程的镁净化率为5 5 7 5 。在研究范围内，树脂上的氢离子与湿泫磷酸中 的镁离子的交换过程为颗粒扩散控制过程。树脂再生以用饱和硫酸铵溶液作再生剂效果 较好。再生的工艺条件为，对于6 0 0 9 饱和树脂，再生液饱和硫酸铵用量l o o m l ，反应 温度7 0 ，中速搅拌，反应时间2 0 m i n ，再生过程属液膜扩散控制过程。 采用动态离子交换法研究湿法磷酸中镁离子净化实验表明，在实验范围内，过程的 最佳工艺条件为，室温操作，操作流速为0 8 4 9 c m m i n ，树脂床高径比为8 ，接触时间 为2 8 3 m i n 。在上述工艺条件下，离子交换柱的平均贯穿容量( q 占) 为1 0 5 9 9 l , 树 脂利用率为5 0 3 2 ；净化得到的磷酸含镁量低于0 5 6 9 l 。按上述工艺进行操作，交换 区的高度h 7 值为2 3 8 5 m m ，交换区的移动速率，的值为0 4 4 8 c m m i n 。 动态离子交换法得到的m 9 2 + 流出曲线的贯穿函数模型数学表达式为： 1 1 9 _ n 高1 = 1 7 6 3 4 1 9 ( 一2 6 9 4 0 ) 一2 5 6 7 ( 相关系数r = o 9 9 0 0 2 ) 。 树脂的动态法再生先采用饱和硫酸铵再生吸附镁的饱和树脂，再用1 0 的硫酸溶液 将树脂由铵型转变为氢型。 关键词：镁离子；离子交换；净化；湿法磷酸 贵州大学硕l 学位论文 湿法磷酸的离子交换法除镁研究 a b s t r a c t w h e np h o s p h a t er o c ki sr e a c t e dw i t hp h o s p h o r i ca c i da n ds u l f u r i c a c i dt o p r o d u c ep h o s p h o r i ca c i d ，k n o w na st h ew e tp r o c e s s ，t h ei m p u r it yo fm a g n e s i u m t h a ti s i nt h er o c ki sd i s s o l v e di nt h ea c i d t h em a g n e s i u mi nw e tp r o c e s s p h o s p h o r i ca c i dw i l li n c r e a s et h ea c i dv i s c o s i t ya n dt h em a s st r a n s f e r r e s i s t a n c e ，a l s or e d u c et h er a t eo fd e c o m p o s i t i o no fp h o s p h a t er o c kw h e nw e t p r o c e s sp h o s p h o r ica cidisp r o d u c e d ，a n din c r e a s ee n e r g yc o n s u m p tio no ft h e w e tp r o c e s s i na d d i t i o n ，t h em a g n e s i u mi o n sa l s oa f f e c tt h ep e r f o r m a n c eo f p r o d u c t sw h i c ha r ea t t a i n e db yp r o c e s s i n gt h ew e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d ，n o t o n l yr e d u c et h ec o n t e n to fw a t e r s o l u b l ep 2 0 5i nf e r t i l i z e r ，b u ta l s o t h e p h y s i c a lp r o p e r t i e so ff e r t i l i z e rp r o d u c t sw o r s e n ，s u c ha sr i s i n gc a k i n gw h i c h i sn o tc o n d u c t i v ef o rt r a n s p o r t a t i o n ，s t o r a g ea n du s eo ft h ef e r t i l i z e r ：i t l e a dt of o r m i n gs l u d g ei nc o n c e n t r a t e dw e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d ，r e s u l t i n g i ns c a l i n ge q u i p m e n ta n dp l u g g i n gt h ep i p e l i n e t h e r e f o r e ，t h ep u r i f i c a t i o n o fw e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i dt or e m o v em a g n e s i u mi o n st h a th a sb e e nc o n c e r n e d a n dr e s e a r c h e db yp e o p l ei ss i g n i f i c a n ti np r a c t i c e i nt h i sp a p e r ，i o ne x c h a n g em e t h o di ss e l e c t e dt op u r l f yt h em a g n e s i u mo f w e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d t h e0 0 1 7r e s i nm a d ei nc h i n at h a tb e l o n g st o p o l y s t y r e n ea r y ls u l f o n i cs t r o n g l ya c i d i cc a t i o n i ci o n e x c h a n g er e s i ni s c h o s e nt or e m o v em a g n e s i u mf r o mt h ew e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i d t h er e s u lto fp u r i f i c a t i o nb ys t a t i ci o ne x c h a n g er e s e a r c ht or e m o v et h e m a g n e s i u mi m p u r i t yf r o mw e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i ds h o wt h a t ：t h ee x c h a n g e p r o c e s sa tr o o mt e m p e r a t u r e ，t h er e a c t i o nt i m ei sl o m i n ，d e a l i n gw i t h1 5 0 m l r a wm a t e r i a lp h o s p h o r i ca c i dn e e d6 0 9r e s i n t h ep u r i f i c a t i o nr a t eo fm a g n e s i u m c a nr e a c ht o5 5 7 5p e r c e n tw h e np u r i f yw e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i dt or e m o v e m a g n e s i u mw i t ht h es a i dt e c h n o l o g y w i t h i nt h es c o p eo ft h es t u d y ，t h ee x c h a n g e p r o c e s sb e t w e e nt h eh y d r o g e ni o n so nt h er e s i na n dt h em a g n e s i u mi o n si nt h e w e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i di sp a r t i c l ed i f f u s i o nl i m i t e d s a t u r a t e da m m o n i u m s u l f a t es o l u t i o nisc h o s et or e g e n e r a t et h es p e n tr e s i nb e c a u s eo fit sb e t t e r 2 r e g e n e r a t i o ne f f e c t t h eo p e r a t i n gc o n d i t i o no fr e s i nr e g e n e r a t i o ni st h a tf o r 6 0 o gu s e dr e s i n ，t h ea m o u n to fr e g e n e r a n t s o l u t i o no fs a t u r a t e da m m o n i u m s u l f a t ei sl o o m l ，r e a c t i o nt e m p e r a t u r ei s7 0 9 c ，w i t hm o d e r a t em i x i n gs p e e d ， r e a c t i o nt i m en e e d2 0 m i n ，a n dt h er e g e n e r a t i o np r o c e s si sf i l md i f f u s i o n 1i m i t e d t h ep u r i f i c a t i o nr e s u l to fd y n a m i ci o ne x c h a n g ee x p e r i m e n tt op u r i f yt h e m a g n e s i u mo fw e tp r o c e s sp h o s p h o r i ca c i ds h o wt h a tw i t h i nt h ef r a m e w o r k o ft h e r e s e a r c h ，t h eo p t i m u mt e c h n i c a lc o n d i t i o ni st h a tr o o mt e m p e r a t u r eo p e r a t i o n ， o p e r a t i n gf l o wr a t ei s0 8 4 9 c m m i n ，t h er a t i oo fr e s i nb e dh i g hw i t hd i a m e t e r i s8 ，c o n t a c tt i m ef o r2 8 3 m i n i nt h es a i do p e r a t i n gc o n d i t i o n ，t h ea v e r a g e c a p a c i t yo fi o ne x c h a n g ec o l u m ni s1 0 5 9 9 l ；t h eu t i l i z a t i o nr a t eo fr e s i ni s 5 0 1 3p e r c e n t t h em a g n e s i u mo fp u r i f i e dp h o s p h o r i ca c i di sl e s st h a n0 5 6 9 l o p e r a t i n gw i t ht h es a i dt e c h n o l o g yc o n d i t i o n ，t h eh i g ho fe x c h a n g e z o n ei s 2 3 8 5 m ma n dt h em o v i n gr a t eo fe x c h a n g ez o n ei s0 4 4 8 c m m i n m 9 2 + o u t f l o wc u r v ef u n c t i o nm o d e lf o rt h em a t h e m a t i c a le x p r e s s i o no b t a i n e d b yd y n a m i ci o ne x c h a n g er e s e a r c hisl g i n 【 ( c o r r e l a ti o nc o e f f i ci e n tr = o 9 9 0 0 2 ) 1 一( c c o ) 】= 1 7 6 3 4 1 9 ( t 一2 6 9 4 0 ) 一2 5 6 7 t h es p e n tr e s i ni sr e g e n e r a t e du t i l i z i n gas a t u r a t e ds o l u t i o no fa m m o n i u m s u l f a t e ，t h e nc o n t a c t i n gt h er e s i nw i t hw e i g h t1 0p e r c e n ts u l f u r i ct oc h a n g e t h er e s i nf r o ma m m o n i u mi o nt oh y d r o g e ni o nf o r m k e y w o r d sm a g n e s i u mi o n ：i o ne x c h a n g e ：p u r i f y ：w e tp r o c e s s o h o s p h o r l ca c l d ： 1 3 贵州人学硕上学位论文 湿法磷酸的离了交换法除镁研究 封底 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究在做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名盘! 苤整 e i 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：座持謦导师签名： 二堕! 筮h 期：至q q 虽生旦 贵州大学顾十学位论文 湿泫磷酸的离子交换法除镁研究 1 1 磷酸的生产方法 第一章概论 磷酸在磷化工中作为一种重要的中间品，除用于磷铵、重过磷酸钙、复合肥料、 各种磷酸盐等生产外，还用于石油、冶金、电子、医药、食品等行业，是这些行业不 可缺少的原料。磷酸的最终用途取决于它的纯度，而磷酸的纯度一般又取决于它的 生产方法。磷酸的工业生产方法有两大类乜1 。一类是热法生产，制得的产品称为热法 磷酸。热法磷酸是将磷矿在硅石( s i0 2 ) 存在下，在电炉中用焦炭还原，磷矿还原后 得到的元素磷升华后逸出，再将元素磷燃烧使之氧化成为五氧化二磷，用水吸收得到 磷酸；热法磷酸的纯度较高。另一类是湿法生产，产品称为湿法磷酸。湿法磷酸是由 硫酸或盐酸等强酸分解磷矿，经过液固分离后得到的含许多杂质的磷酸。故湿法磷酸 一般用于制造磷肥和复合肥料供农业用。如要制取工业用磷酸盐，则湿法磷酸还需净 化除杂。 热法磷酸浓度高、质量纯，能满足制取高质量磷酸及磷酸盐的要求，但能耗大， 因此生产成本较高，并且生产过程中产生的粉尘及有害气体会对环境造成污染。而湿 法磷酸具有能耗少、设备易解决、便于操作管理、生产成本低等特点，技术、生产工 艺流程都日趋完善，在生产过程中已可以回收铀、钒、碘、氟等有用资源口1 。2 0 世纪 7 0 年代以来，由于能源危机电费高涨，热法磷酸的生产与发展受到严重限制，使湿 法磷酸对热法磷酸的竞争力一直呈上升趋势，这在客观上促进了净化湿法磷酸作为工 业原料用途的发展，特别在世界各国都节能降耗，限制、淘汰高能耗产品生产的今天， 使湿法磷酸生产得到更快速的发展。 1 2 湿法磷酸的净化 1 2 1 湿法磷酸中的杂质 湿法磷酸中的杂质主要来自原料磷矿和硫酸，少量来自生产过程中添加的各种药 剂，以及设备与管道的磨蚀和腐蚀产物。这些杂质可分为溶解性杂质和非溶解性杂质， 溶解性杂质又可分为阳离子型杂质和阴离子型杂质；非溶解性杂质亦可分为晶体型杂 4 贵州大学硕上学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 质和胶体型杂质h 1 。湿法磷酸中的主要杂质见表卜l 。 表卜l 湿法磷酸中的主要杂质n 1 湿法磷酸中主要溶解性杂质湿法磷酸中主要非溶解性杂质 由表1 - 1 可见，湿法磷酸中杂质种类繁多，杂质的理化性质差异很大，用任何单 一的方法都不能深度地脱除所有杂质。因此，针对杂质的特点，业内已开发出许多种 净化方法。 1 2 2 湿法磷酸的净化方法 1 9 2 0 年，c h m i l l g a n 申请了第一个使用极性溶剂净化磷酸的专利阵1 ，此后日、美等 国相继研究各种湿法磷酸的净化方法。七十年代末报道通过湿法磷酸净化已能生产出食 品级磷酸产品。从最近开发的湿法磷酸净化技术看，主要有以下几种净化方法： 1 2 2 1 溶剂萃取法 在湿法磷酸净化方法中，已有效成功应用于工业化的当属溶剂萃取法。 溶剂萃取也叫液一液萃取或抽提，是分离和提纯物质的重要单元操作。它是借助有 机溶剂通过物理或化学作用，把原先溶于水相的被萃取物，部分( 或几乎全部) 地转入与 之不相混溶( 或基本不相混溶) 的有机相中，而提取与分离的方法，7 1 。2 0 世纪石油危机以 来，以湿法磷酸为对象进行的溶剂萃取净化工艺的研究异常活跃阴侧，尤其是以色列、 罗马尼亚、法国、比利时、日本、美国、印度、巴西、德国等。目前，用溶剂萃取法精 制湿法磷酸己能生产工业级和食品级磷酸。 溶剂萃取净化法具有所得产品纯度高、生产工艺和设备相对比较简单、能耗低、原 料消耗低、生产能力大、分离效果好、回收率高、环境污染少、生产过程易于实现自动 化与连续化、有利于资源的综合利用等优点。但溶剂萃取法必须采用多级萃取设备和反 萃取设备，且由于萃取用到的有机溶剂挥发性强，易燃、易爆，因此需采取各种安全措 施，从而设备投资费用较高；有机溶剂价格一般均较高；湿法磷酸中阴离子s 0 4 、f 一、 s i f 2 _ 等也不易除去；所得精制酸浓度较低：萃余酸和残渣生成量较大( 约占原料的3 0 5 贵州大学硕上学位论文湿法磷酸的离了交换法除镁研究 5 0 ) 1 1 o 但目自订，溶剂萃取法仍是国外用来精制湿法磷酸的最有效方法之一，许多工 业化国家已正式用溶剂萃取法生产工业级和食品级磷酸。已工业化的净化湿化磷酸的技 术见表1 - 2 。 我国有许多学者就磷酸萃取净化技术进行了大量研究。八十年代末，华东化工学院 表卜2 湿法磷酸的萃取技术n 2 1 开展了以二丁基亚砜为萃取剂从硝酸体系中净化湿法磷酸的研究，以及以$ 3 4 e 为萃取剂 从盐酸体系中净化湿法磷酸的研究，其最终产品为工业级9 8 的k h 。p 0 。成都科技大学研 究了以正丁醇和异戊醇为萃取剂，从盐酸体系中净化磷酸的工艺，其萃取率达9 0 以上， p z o 。的总收率达7 0 ，产品为8 5 ( h 。p o , ) 的工业级磷酸和2 4 ( p ) 的饲料磷酸氢钙。但 仅限于小试规模，尚未见到工业化中试的报道n 3 1 。九十年代以来，湖北荆襄磷化公司与 华中师范大学合作，开展了以溶剂萃取法净化湿法磷酸的研究，从小试、中试到工业化 中试，子1 9 9 5 年9 月通过了湖北省石化厅组织的专家鉴定。其中中试装置的产品质量为： h ：；p 0 4 8 5 ；f e 3 + l o o p p m ；s o , 扣 l o o p p m ；a s r 0 3 h + n a c l 质量好的树脂可以交换、再生，循环反复使用至数千次，因此用离子交换法净化溶 液中的杂质离子是经济可行的。 e_ 室阴膏早空长基s o i 尊 土：耋：予n 牵乙_ 类* 叠麓膏 = 专= ；聋乙，i 链 棚一一 _ 墨墨i 二乙苯交t ， l 二磊g 孑承叠农 图2 1 聚苯乙烯型离子交换树脂结构示意图 贵州人学硕士学位论文湿法磷酸的离了交换法除镁研究 再生后* 稿叉嚣 上了碍吏提的h 爱窟：i t - s o , h + h a c ! 一雁n h + h c l 图2 2阳离子交换树脂的离子交换、再生循环示意图 2 2 2 离子交换树j 旨f i , 0 分类 离子交换树脂品种繁多，分类方法也很不统一，一般根据离子交换树脂上所带的 交换功能基的特性进行划分。带有酸性功能基，能与阳离子进行交换的物质叫阳离子交 换树脂；带碱性功能基的物质叫阴离子交换树脂，然后再按功能基酸或碱的强弱程度， 粗略地分为强与弱。对于阳离子交换树脂，通常分为强酸( 一so ， h ) 、中酸( 一p o ( o h ) 。) 、 弱酸( 一c o o n ) 。为了统一国产离子交换树脂的牌号，石油化学工业部在1 9 7 7 年7 月1 同制定了离子交换树脂产品分类、命名及型号的部颁标准，标准根据离子交换 树脂功能基的性质，将其分为强酸、弱酸、强碱、弱碱、螯合、两性及氧化还原等七类， 如表2 - 3 所示。 离子交换树脂的全名有分类名称、骨架( 或基团) 名称、基本名称排列组成。离子 交换树脂的基本名称为离子交换树脂，凡分类中属酸性的，应在基本名称前加一“阳 字：凡分类中属碱性的，在基本名称前加一“阴”字。离子交换树脂又可根据型态不同 分凝胶型和大孔型两种。凡具有物理孔结构的称大孔型树脂，在全名称前加“大孔两 字以示区别。为了区别离子交换树脂产品中同一类中的不同品种，在全名前必须有型号。 离子交换树脂产品的型号由三位阿拉伯数字组成。第一位数字代表产品的分类，第二位 1 6 贵州大学硕上学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 数字代表骨架结构的差异( 代号可见表2 4 ) ，第三位数字为顺序号，用于区别基团、交 联剂等。 表2 - 3 离子交换树脂的种类 分类名称功能蓦 强敬磺酸基( 一s 0 3 h ) 弱酸 羧酸基( - c o o h ) 、磷酸基( 一p 0 3 h 2 等 强碱 季铵基( - - n + ( c h s ) 鑫、一n + ( c h 3 ) ,) 等 c h 2 c h 2 0 h 7 弱碱 伯，仲，叔胺基( 一n h 2 、- - n h r ，- - n r 2 ) 等 c h 童 c h 2 c 0 0 i h l 。 整合 胺羧基( - - c h j - - n c h z c o o h ，- - c h 2 n 一c 6 h s ( o h ) s ) 商性 强碱一弱酸( - - n ( c h 3 ) ：、- - c o o h ) 弱碱一弱酸 9 5 ；湿视密度( g m 1 ) 0 7 5 - 0 8 5 ；离子型式为h 型时，其最高使用温度为 1 0 0 ，出厂为n a 型。预处理方法如下：首先使用饱和食盐水，取其量约等于被处理树 脂体积的两倍，将树脂置于上述食盐溶液中浸泡约1 8 h ，然后放尽食盐水，用蒸馏水漂 沈于净，使排出水不带黄色为止；接着取质量分数约为2 n a o t t 溶液，其量也约等于被 处理树脂体积的两倍，在其中浸泡约2 h ，放尽碱液后，用蒸馏水冲沈树脂至排出水接近 中性为止：最后用约为6 m o l l 的盐酸溶液浸泡约2 4 h ，使树脂的离子型式由n a 型转变 为h 型，然后用蒸馏水洗至冲洗水呈中性，用滤纸除去树脂表面水备用。经测定，除去 表面水后树脂含水量为5 0 4 8 。 1 9 贵州大学硕上学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 第三章静态离子交换法净化湿法磷酸中的镁离子 3 1 静态法简介及离子交换相关知识h 2 4 3 1 3 1 1 静态法简介 树脂的应用可分为静态和动态两种基本的类型。静态离子交换法简称为静态法，也 叫反应器法。这是一种最简单、最原始采用的方法，其交换效率很差。操作的方法就是 将一定数量的树脂与所处理的溶液混合搅拌，然后用过滤、倾泻、离心沉降等方法将树 脂与溶液分离。因为反应存在可逆的平衡： r a + b x r b + a x 其中，r 为树脂功能基。 显然，这种交换是不容易进行完全的，必须经过多次重复，树脂才能达到完全转变， 所以在实际应用中并不常见，但在试探性实验以及交换动力学研究中常用到。本章主要 通过静态法研究离子交换法净化湿法磷酸中镁离子，通过实验来验证0 0 1 7 型树脂净 化湿法磷酸的可行性并了解温度、搅拌速率、反应时间对镁净化率的影响情况，为设计 动态离子交换法净化湿法磷酸中的镁离子实验提供基础数据。 3 1 2 离子交换相关知识 3 1 2 1 离子交换速率 交换平衡决定离子交换的可能性，而离子交换速率决定交换所需时间，影响生产周 期。所以控制适宜的交换速率是很重要的。那么什么是离子交换速率呢? 在电解质溶液 中，离子交换剂整个颗粒内外的功能基都要发生交换作用，这就需要一定的时间才能达 到平衡状态。达到平衡时间的长短就是交换速率。各种类型的离子交换剂的交换速率有 很大差别。一般地讲，天然泡沸石的交换速率较慢，而低交联度或大孔型树脂的交换速 率就很快，阳离子交换树脂比阴离子交换树脂快。对于给定型号的离子交换树脂和电解 质溶液如何增大交换速率呢? 这就需要了解离子交换的步骤，了解影响离子交换速率的 因素。 ( 1 ) 离子交换的步骤 2 0 贵州大学硕士学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 2 l 贵州人学硕上学位论文湿法磷酸的离了交换法除镁研究 提高搅拌速度，以减低液膜厚度； 提高溶液浓度； 增加离子交换树脂的表面积； 提高温度。 颗粒扩散m 9 2 + 由离子交换树脂外表面扩散到树脂内部的交换位置及h + 由交换位 置扩散到离子交换树脂外表面的过程就是颗粒内扩散过程。如果整个交换过程中它的速 率最慢，它就决定了整个交换过程的速率，这种过程就称为颗粒扩散控制过程。可以通 过以下途径加速颗粒扩散控制交换过程： 增加离子交换树脂孔隙率； 减小粒度； 提高温度； 改变搅拌速率，测定搅拌速率对交换速率的影响；如果搅拌速率对交换速率没有影 响，则该交换过程消除了液膜扩散影响，多属于颗粒扩散控制过程。 3 1 2 2 树脂交换容量 树脂交换容量也称交换量，是离子交换树脂质量的重要标志。在实用意义上，离子 交换树脂可以看作可交换离子的贮存器。在使用时，离子交换树脂把骨架上贮存的离子， 亦即可交换离子，与所接触的其它同类型离子进行交换，以达到提纯、分离、浓缩等目 的。离子交换树脂所贮存的可交换离子数量的多少，取决于交换功能基的数量，应该与 外表形状及离子类型无直接关系，所以交换量的定义是指一定数量( 克或毫升) 的离子 交换树脂所带的，也可以说是贮存的可交换离子的数量。交换量的表示方法是每克或每 公斤离子交换树脂所带有或贮存的可交换离子的毫克当量数或克当量数，可写成毫克当 量克树脂或克当量公斤树脂，也可用m m o l m 9 2 + g 树脂表示。 根据测定条件与使用情况，树脂交换容量有总交换量、表观交换量和操作交换量之 分。 ( 1 ) 总交换量 总交换量也叫最大或极限交换量，是指树脂经1 0 0 c 干燥至恒重后每克或在水中每 毫升所具有的可交换离子的总数，单位为毫克当量克( 于树脂) 或毫升( 湿树脂) 。 ( 2 ) 表观交换量 在一定的实验操作条件下，一定数量( 每克、公斤或毫升、升) ，某种型式( h 型或 贵州大学硕十学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 o h 型) 阳、阴离子交换树脂所具有的可交换离子数量( 即毫克当量或克当量数) 叫表观 交换量。它只表示在某一指定条件下，如溶液浓度等，所表现出来的交换量，不一定代 表交换功能基的真正数量。在功能基未完全电离或孔径太小，离子不易扩散的情况下， 它就小于总交换量；当树脂颗粒很小，吸附现象显著时，则可能大于总交换量。 ( 3 ) 操作交换量 操作交换量也称工作交换量或有用交换量，是指在某一指定的应用条件下，树脂表 现出来的交换量。本文离子交换法净化湿法磷酸中的镁离子研究中所提到的树脂交换量 就是指树脂的操作交换量。 3 1 2 3 基本概念 净化率c ，= 塑超蔫籍鞴翥拦舞掣川。 沈脱率c ，= 垦笪黼粼端蒙鬻掣枷。 3 2 湿法磷酸的静态离子交换法除镁研究 3 2 1 实验原料 原料湿法磷酸由贵州宏福实业有限公司瓮福磷肥厂提供，系二水法湿法磷酸，有效 镁含量为l l 。l l g l 。 3 2 2 实验方法 响。 采用单因素实验研究温度、搅拌速率、搅拌时间等对镁的净化率、树脂交换量的影 3 2 3 实验结果与分析 3 2 3 1 搅拌时间对镁净化率的影响 固定搅拌速率、温度及树脂用量研究搅拌时间对湿法磷酸中杂质镁的净化率影响。 温度为室温，搅拌速率为中速，树脂用量为9 0 0 9 。用5 0 m l 移液管量取1 5 0 m l 原料磷酸 2 3 贵州人学硕士学位论文湿法磷酸的离子交换法除镁研究 置于烧杯中，用电子天平称量9 0 0 9 预处理后除去表面水的树脂( 0 0 1x 7 ) 置于上述盛 有原料磷酸的烧杯中，保持室温条件，中速搅拌反应4 0 分钟，在搅拌开始时取样分析， 以后每隔一段时间取样分析一次。搅拌时间对镁净化率的影响如表3 - 1 和图3 - 2 。 表3 - 1 搅拌时间对镁；争化率的影响 7 0 铝 芝斛 豫 基6 2 g h 蝼 5 8 5 6 1 0 柏 搅拌时间m i n 图3 2 搅拌时间与镁净化率的关系 由图3 2 可以看出，室温下用0 0 1 x 7 型树脂净化湿法磷酸中的杂质镁时，在树脂与 湿法磷酸接触的瞬间，镁净化率已达到5 6 6 1 ，这说明该离子交换反应在室温下都已进 行得很快，因此在以后的实验中不再研究温度对反应速率的影响，如仅从反应速率考虑 可选择室温条件进行树脂上的氢离子与湿法磷酸中的镁离子的交换反应。从搅拌时间与 镁净化率的关系曲线还可以看出，当反应进行l o m i n 后，镁净化率变化不大，说明反应 已接近平衡。因此，在以后的静态离子交换法净化湿法磷酸中的杂质镁的研究中，选择 反应时间为l o m i n 。 3 2 3 2 温度对镁净化率的影响 从上面的实验结果知，用0 0 1x7 型树脂净化湿法磷酸中的杂质镁离子时，中速搅 2 4 贵州人学硕：t 学位论文湿泫磷酸的离了交换法除镁研究 拌条件下，树脂上的氢离子与磷酸溶液中的镁离子之l 、h j 的交换反应进行l o m i n 就已接近 平衡，因此在研究温度对镁净化率的影响时选择反应时间为l o m i n ，仍选择搅拌速率为 中速。通过测定不同温度下净化磷酸的含镁量来研究温度对镁净化率的影响。具体操作 方法如下：用5 0 m l 移液管量取1 5 0 m l 原料磷酸置于烧杯中，用电子天平称量9 0 o g 除 去表面水的树脂( 0 0 1x 7 ) 置于上述盛有原料磷酸的烧杯中，分别在2 5 c 和7 5 的条 件下中速搅拌反应l o m i n ，取样分析。温度对湿法磷酸中镁的脱除影响情况如表3 2 所 示。 表3 - 2 温度对镁脱出率的影响 温度镁净化率 2 5 7 5 6 7 3 8 6 7 2 4 由表3 - 2 数据可知：温度对镁净化率的影响不大，考虑到操作的方便性及经济性， 可选择室温条件，这与仅从反应速率考虑选择的温度条件一致，因此最终选择室温条件 下进行离子交换法净化湿法磷酸中的杂质镁的反应。 3 2 3 3 搅拌速率对交换速率的影响