【《磷尾矿制备磷酸镁铵的实验分析》5200字】

PAGE\*Arabic2PAGE磷尾矿制备磷酸镁铵的实验研究目录TOC\o"1-3"\h\u17222磷尾矿制备磷酸镁铵的实验研究 2207531.1实验仪器及药品 2299961.1.1实验仪器 288591.1.2实验药品 316631.2实验方法及流程 4107361.1.1高镁磷尾矿酸化液 4223271.1.2磷酸镁铵的制备 4147861.3沉淀物含量分析方法 5326231.3.1MgO含量分析 584911.3.2P2O5含量分析 5295971.3.3氨氮含量分析 5259891.3.4X射线衍射分析 5254771.3.5X射线荧光分析 5121.3.6扫描电子显微镜分析 5291401.4实验原料 6260011.4.1高镁磷尾矿X射线荧光分析（XRF） 644881.4.2高镁磷尾矿X射线衍射分析（XRD） 642971.5实验条件探究 7326481.5.1pH值的影响 7194441.5.2反应温度的影响 8169291.5.3反应时间的影响 974191.5.4陈化时间的影响 995341.5.5搅拌速度的影响 1038881.6最优条件沉淀物分析 1286021.6.1沉淀物主要元素分析 12123691.6.2XRD图谱分析 12200241.6.3XRF全元素分析 136531.6.4SEM图谱分析 14140531.7小结 141.1实验仪器及药品1.1.1实验仪器表2-1试验仪器Table2-1Reservesofmaintestequipments仪器名称仪器型号生产厂家循环水真空泵SHZ-D武汉科尔仪器设备有限公司多功能真空过滤机RK-ZL武汉洛克粉末设备制造有限公司凯氏定氮仪KDN-812上海纤检仪器有限公司调速机械搅拌器D-971巩义市予华仪器有限公司电热恒温鼓风干燥箱DHG-9140A上海新苗医疗器械制造有限公司电子天平（分析）ME204E梅特勒-托利多仪器有限公司集热式恒温加热磁力搅拌器DF-101S上海科尔仪器设备有限公司电子调温万用电炉DK-98-II天津市泰斯仪器有限公司马弗炉KSW湖北英山县建国电炉厂1.1.2实验药品表2-2试验试剂Table2-2Reagents名称化学式品级生成厂家浓盐酸HCl分析纯国药集团化学试剂有限公司浓硝酸HNO3分析纯信阳市化学试剂厂氢氧化钠NaOH分析纯天津市福晨化学试剂厂钼酸铵(NH4)2MoO4分析纯沈阳科拓化工有限公司柠檬酸C6H8O7·H2O分析纯国药集团化学试剂有限公司氨水NH4·H2O分析纯天津富宇精细化工有限公司氯化铵NH4·Cl分析纯天津市福晨化学试剂厂三乙醇胺C6H15O3N分析纯国药集团化学试剂有限公司乙二醇双四乙酸C14H24N2O10分析纯国药集团化学试剂有限公司乙二胺四乙酸二钠C10H14N2Na2O3分析纯国药集团化学试剂有限公司浓盐酸HCl分析纯信阳市化学试剂厂抗坏血酸C6H8O6分析纯天津富宇精细化工有限公司1.2实验方法及流程1.1.1高镁磷尾矿酸化液制备方法：取一定体积的工业盐酸和等体积的水混合后置于三口烧瓶内，加热升温至60℃后加入一定质量的高镁磷尾矿，反应30min，趁热过滤，得到酸解液。量取与酸解液中Ca2+等物质的量的且质量分数9%的稀硫酸溶液，置于三口烧瓶内，搅拌并加热至60℃，向其中滴入酸解液，反应60min后，抽滤，得到酸化液。1.1.2磷酸镁铵的制备向尾矿酸化液中加入一定体积的氨水，水浴加热并搅拌，反应一段时间后，静置一段时间，抽滤，干燥得到磷酸镁铵沉淀物。实验流程如图2-1：图2-1实验流程图Fig.2-1Experimentalflowgraph1.3沉淀物含量分析方法1.3.1MgO含量分析MgO含量的测定采用EDTA滴定法，测定步骤见国际标准ISO6058《水质钙含量的测定-EDTA滴定法》及ISO6059《水质-钙、镁合量的测定--EDTA滴定法》1.3.2P2O5含量分析P2O5含量测定采用钼酸铵分光光度法，测定步骤见国家标准«水质总磷的测定钼酸铵分光光度法»（GB11893-89）。1.3.3氨氮含量分析采用凯氏定氮仪检测沉淀物中的氨氮含量，测定步骤见国家标准《谷物和豆类氮含量测定和粗蛋白质含量计算凯氏法》（GB/T5511-2008）。1.3.4X射线衍射分析X射线衍射分析，简称XRD，是了解材料空间结构特征最为常用的有效手段。可通过XRD分析中衍射峰的位置和强度来定性判断磷酸镁铵是否存在。1.3.5X射线荧光分析X射线荧光分析，简称XRF。利用XRF分析可以定性和定量分析沉淀物的元素组成成分1.3.6扫描电子显微镜分析扫描电子显微镜分析，简称SEM。可利用SEM分析判断磷酸镁铵晶体的表面微观形貌，从而可仔细观察磷酸镁铵晶体的外形结构。1.4实验原料高镁磷尾矿（湖北鄂中生态工程有限公司提供）1.4.1高镁磷尾矿X射线荧光分析（XRF）对尾矿进行XRF分析，其检测结果如表2-3。表2-3高镁磷尾矿的化学组成（%）Table2-3ChemicalCompositionofHighMagnesiumPhosphateTailings(%)样品NaMgAlSiPSK尾矿0.12718.7111.3324.47810.8070.6070.399样品CaMnFeNiSrFZn尾矿36.1020.0741.2650.2590.0341.5440.011如表2-3所示，尾矿含有的成分较多，主要含有钙、镁、磷元素，其中磷含量在10%-12%之间，镁含量在18%-20%之间，钙含量在36%-38%之间，此原料可被认作是高镁低品位磷矿。1.4.2高镁磷尾矿X射线衍射分析（XRD）对尾矿进行XRD分析，结果如图2-2。图2-2尾矿XRD图谱Fig.2-2XRDAtlasoftailings如图2-2所示，当衍射角度30°左右时，出现了白云石和氟磷灰石的主要特征峰[11]，而白云石的相对强度较高，氟磷灰石的相对强度较弱。由此可见，该尾矿中白云石为主要成分。1.5实验条件探究1.5.1pH值的影响在反应时间为30min，温度为30℃，陈化时间30min，搅拌速度640r/min不变的条件下，探究pH的影响，实验结果如图2-3。图2-3pH的影响Fig.2-3TheeffectofpH由图2-3可知，pH值是影响镁、磷回收率的最重要的控制因素，不同的pH值会影响磷酸镁铵反应离子的活度，从而影响磷酸镁铵沉淀的产生。当pH为4.5-6.9时，镁、磷的回收率随着pH的升高而增大，这是因为磷酸镁铵在酸性条件下易溶解，当pH升高，碱性离子不断增加，反应向右进行，有利于磷酸镁铵沉淀的生成，所以镁、磷的回收率持续增大。当pH增加到6.9以上时，镁、磷的回收率随着pH的升高开始下降，这是因为酸化液中的杂质离子较多，当溶液的pH逐渐升高后，会有副反应发生，产生大量的杂质，如氢氧化铁，氢氧化锌，磷酸钙等，并且在强碱条件下磷酸镁铵会发生部分分解，导致磷酸镁铵的量减少，从而沉淀物中镁、磷含量降低。因此，在利用磷尾矿制备磷酸镁铵的实验中，生成磷酸镁铵最佳的反应pH为6.9。1.5.2反应温度的影响在反应时间为30min，pH=6.9，陈化时间30min，搅拌速度640r/min不变的条件下，探究反应温度的影响，实验结果如图2-4。图2-4反应温度的影响Fig.2-4Theeffectofreactiontemperature由图2-4可知，镁、磷回收率随着温度的不断增加而增大，这是由于温度越高，反应越剧烈，反应速率加快，磷酸镁铵生成量增多。当温度为40-50℃时，镁、磷的回收率变化趋于平稳，说明在该温度条件下磷酸镁铵生成量达到了最大限度。当温度大于50℃时，镁的回收率变化不大，而磷的回收率下降趋势明显，这是因为酸化液中的其他杂质离子（如Ca2+等）与磷酸根离子反应生成磷酸盐等杂质，由于温度升高，沉淀物中的磷酸盐的溶解度也随之升高，溶液中部分磷酸盐溶解于水中，使得磷的回收率明显降低，并且高温条件下，磷酸镁铵过饱和度下降，结晶推动力降低，不利于磷酸镁铵的生长，所以高温不利于磷酸镁铵的生成，选择反应温度40℃进行下一步实验探究。1.5.3反应时间的影响在pH=6.9，反应温度为40℃，陈化时间30min，搅拌速度640r/min不变的条件下，探究反应时间的影响，实验结果如图2-5。图2-5反应时间的影响Fig.2-5Theeffectofreactiontime由表2-6和图2-5可知，当反应时间为10min时，镁、磷的回收率较低，这是因为反应时间较短，使溶液反应不能进行到底。当反应时间增加到30min时，镁、磷的回收率达到最高值，说明只有控制足够的反应时间，才能使反应更加充分，使磷酸镁铵在反应溶液中沉淀完全，达到最优回收效果。而当反应时间大于30min时，镁、磷的回收率随着时间的增加而略有下降，这是因为长时间的搅拌会使磷酸镁铵结晶沉淀体系被破坏，影响了磷酸镁铵的沉淀性能，所以镁、磷的回收率会降低。因此，选择反应时间为30min进行下一步实验。1.5.4陈化时间的影响在pH=6.9，反应温度为40℃，反应时间30min，搅拌速度640r/min不变的条件下，探究陈化时间的影响，实验结果如图2-6。图2-6陈化时间的影响Fig.2-6Theeffectofagingtime由图2-6可知，陈化时间对镁、磷回收率的影响不大。当陈化时间从10min增加到60min时，镁、磷的回收率也随之增大，这是因为在陈化初期，同一环境中，大晶粒的溶解度比小晶粒的小，因此小晶粒会慢慢溶解，大晶粒不断增大，从而使磷酸镁铵沉淀逐渐增多，镁、磷的回收率不断增大。当陈化时间到60min后，镁的回收率基本趋于稳定，而磷的回收率略有下降，这是因为陈化过程中，磷酸铵镁颗粒逐渐长大，使得磷酸铵镁的溶解度降低，而与此同时，少量其他形式的磷酸盐会溶解，使溶液中磷酸根含量略有上升，从而使磷回收率降低，镁的回收率保持不变。综上分析可知，磷酸镁铵反应的最优陈化时间为60min。1.5.5搅拌速度的影响在pH=6.9，反应温度为40℃，反应时间30min，陈化时间60min不变的条件下，探究搅拌速度的影响，结果如图2-7。图2-7搅拌速度的影响Fig.2-7Theeffectofstirringspeed由图2-7可知，当搅拌速度为160-640r/min时，镁、磷的回收率随着搅拌速度的增加而增大，这是因为搅拌速度过低，反应物之间接触不充分，反应不完全，镁、磷的回收率较低。当搅拌速度增大，单位时间内颗粒的碰撞次数增多，搅拌强度也就越大，各反应离子的相互接触越充分，磷酸镁铵的诱导时间减少，加快了晶核形成，促进晶体生长，从而镁、磷回收率增加。而当搅拌速度大于640r/min时，镁、磷的回收率降低，这是因为搅拌速度过高，水流的剪切力太强，会打碎已经生成的沉淀，破坏沉淀体系，从而造成晶体的流失，并且磷酸镁铵晶型沉淀与反应器壁之间相互碰撞，形成二次成核，影响沉淀结晶，从而镁、磷回收率降低。最佳的搅拌速度应该是使磷酸镁铵充分沉淀，又不轻易破碎时的数值，综上可知，生成磷酸镁铵的最佳搅拌速度为640r/min。综上可知，磷酸镁铵沉淀生成的最优条件为：pH=6.9，反应温度为40℃，反应时间30min，陈化时间60min，搅拌速度640r/min，此时镁、磷的回收率最高，分别达到35.5%和96.54%。镁的回收率较低，磷的回收率较高，这是因为磷尾矿酸化液中的镁磷比为3.81:1，镁含量远高于磷的含量，而生成磷酸镁铵的理论反应物配比为1:1:1，因此会有大量的镁没有参与反应，从而镁的回收率较低。反应后的滤液磷元素较少，但含有大量的镁元素，可以后续用来制备碳酸镁等产品。1.6最优条件沉淀物分析1.6.1沉淀物主要元素分析（1）沉淀物镁、磷元素分析通过检测得到最优条件下的沉淀物中Mg的含量为10.06%，P2O5含量33.1%，达到了磷酸镁铵肥料级参考标准（Mg≥8.4%，P2O5≥25%）[107]。（2）磷酸镁铵纯度分析理论上，磷酸镁铵中Mg、N、P的摩尔比是1:1:1。但在pH较高和Ca2+存在的环境中，P和Mg会生成其他杂质化合物。因此，将N含量作为唯一参考元素计算磷酸镁铵纯度。即沉淀物含有的1mol的N相当于1mol的磷酸镁铵。所以，可用式（2-1）计算磷酸镁铵的纯度：（2-1）式中，n氮为氮的摩尔数；M磷酸镁铵为磷酸镁铵的摩尔质量；m沉淀物为沉淀物质量。根据国标测得沉淀物中的N含量为5.34%，从而计算出磷酸镁铵的纯度较高，达到了93.5%。1.6.2XRD图谱分析对最优条件下得到的沉淀物进行XRD分析，其检测结果如图2-8。图2-8沉淀物XRD图谱Fig.2-8XRDAtlasofprecipitate由图2-8可以看出，将最优条件下所得沉淀物与纯的磷酸镁铵进行对比分析，发现沉淀物的峰形为晶态特征峰，没有明显的非晶态特征峰，说明所得物质为晶体。对比磷酸镁铵的主要特征峰，可知所得产物主要为磷酸镁铵，且杂质较少。1.6.3XRF全元素分析对最优条件下所得沉淀物进行XRF分析，检测结果如表2-4。表2-4沉淀物的化学组成（%）Table2-4ChemicalCompositionofprecipitate(%)样品P2O5MgOAl2O3ClFSiO2SO3121.781.761.691.6样品Fe2O3Na2OCaOSrOK2OZnO11.130.1468.17703ppm70.6ppm40.3ppm由表2-4可知，沉淀物的主要化学组成为P2O5和MgO，进一步验证了沉淀物的主要组成为磷酸镁铵。由于磷酸镁铵主要用作缓释肥料，对沉淀物中的各元素进行分析可知，土壤中常含有大量的铝，以固定态形式存在的铝对植物没有危害，沉淀物中的铝为固定态，因此对植物无危害。沉淀物中含有的钾、硅、硫、钙、锌、铁等元素都是常见的植物生长所需的非常重要的营养元素，对植物的生长具有积极作用，可以增强植物的光合作用，从而提高植物内营养元素的积累，提高叶片光泽度，让植物变得更加挺拔；还可以提高根部活性，增加植物根部的白根数，避免植物根部在厌氧条件下，产生各种有害物质，例如硫化氢等，对作物的生长造成严重影响；能够有效的减少作物倒伏现象，还能够增强作物的抗病能力和抵抗病虫侵害能力等。氯是一种较为特殊的矿质营养元素，氯元素可以调节细胞渗透压和维持细胞生理平衡，能促进植物对钾的吸收，但施加过量会引发植物氯中毒，沉淀物中氯含量不高，为1.78%，可促进植物生长；氟存在于植物组织中，