溶劑萃取法凈化萃余酸制磷酸二氫鉀

尤彩霞，楊政發(fā)，王貴珍，周駿宏，孫 娜

（1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，河北石家莊050026；2.黔南民族師范學(xué)院化學(xué)與化工系）

溶劑萃取法凈化萃余酸制磷酸二氫鉀

尤彩霞1，楊政發(fā)2，王貴珍1，周駿宏2，孫 娜1

（1.河北化工醫(yī)藥職業(yè)技術(shù)學(xué)院化學(xué)與環(huán)境工程系，河北石家莊050026；2.黔南民族師范學(xué)院化學(xué)與化工系）

研究了以氯化鉀和濕法磷酸凈化后的萃余酸為原料，利用正丁醇為萃取劑回收萃余酸中濕法磷酸制備磷酸二氫鉀的新方法。研究了正丁醇含水量、萃取時間、萃取溫度及萃余酸用量等因素對產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，確定了適宜的工藝條件。實驗結(jié)果表明，優(yōu)化的工藝條件為：m（萃余酸）∶V（正丁醇）為127.4 g/L、m（水）∶V（正丁醇）為95 g/L、溫度為30℃、萃取時間為60 min、m（氯化鉀）∶V（正丁醇）為26.075 g/L。本研究提供了一種回收利用萃余酸的經(jīng)濟、簡單的方法。

磷酸二氫鉀；正丁醇；萃取法；萃余酸

濕法磷酸來源廣泛，生產(chǎn)成本低，但由于雜質(zhì)含量高，需要對濕法磷酸采取不同的方法加以凈化［1］。中國對溶劑萃取法凈化濕法磷酸進行了一定的研究，但是尚未實現(xiàn)工業(yè)化，主要存在工藝流程長、生產(chǎn)成本高、P2O5利用率低等問題［2］。由于溶劑萃取法凈化濕法磷酸存在P2O5利用率低的問題，故所得萃余酸磷酸含量較高，且雜質(zhì)含量高，因而對其回收利用較為困難。但若將其作為廢品處理，不但增加工廠的成本，同時也是對資源的一種浪費。因而筆者在廣泛收集和分析國內(nèi)外濕法磷酸凈化技術(shù)資料［3-4］的基礎(chǔ)上，提出了一種經(jīng)濟、簡單地回收萃余酸的方法，即以正丁醇為萃取劑，以萃余酸和氯化鉀為原料在水存在下反應(yīng)生成磷酸二氫鉀，并研究了原料中加水量、萃取時間、萃取溫度及萃余酸的量對產(chǎn)品產(chǎn)量的影響，確定了適宜的工藝條件。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

某肥料廠提供的濕法磷酸萃余酸，組成見表1；氯化鉀，分析純；正丁醇，分析純；蒸餾水。

表1 萃余酸組成 %

1.2 實驗原理

將適量的萃余酸與氯化鉀配成原料溶液，向原料溶液中加入萃取劑正丁醇，磷酸二氫鉀即以晶體的形式析出。在此反應(yīng)中溶液的酸度很高，使得反應(yīng)產(chǎn)物只有磷酸二氫鉀和氯化氫。

萃取時發(fā)生的主要反應(yīng)如下（M代表萃取劑正丁醇）：

磷酸二氫鉀不溶于正丁醇，氯化鉀在正丁醇中的溶解度也較小，故可利用正丁醇將反應(yīng)中的氯化氫排除。萃取時，鹽酸與萃取劑反應(yīng)進入有機相使反應(yīng)向生成磷酸二氫鉀的方向進行，同時磷酸二氫鉀以晶體的形式析出。

1.3 工藝流程

萃余酸與氯化鉀在反應(yīng)器中于10℃下反應(yīng)，生成磷酸二氫鉀和氯化氫氣體。氯化氫氣體進入有機相，而磷酸二氫鉀不溶于有機相使其達到過飽和，從而結(jié)晶析出。經(jīng)過抽濾將磷酸二氫鉀固體和液體分離。經(jīng)過干燥得到產(chǎn)品磷酸二氫鉀。濾液經(jīng)靜置分層后進行分液，有機相加氫氧化鈉靜置分層后分液回收有機相，水相通過濃縮結(jié)晶得到含雜質(zhì)較多的產(chǎn)品磷酸二氫鉀。丁醇）：

2 實驗結(jié)果與討論

2.1 單因素實驗

實驗以溶劑萃取法凈化濕法磷酸的萃余酸為原料，考察了氯化鉀起始用量、正丁醇含水量、萃取時間、萃取溫度及萃余酸用量等因素對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響。

2.1.1 氯化鉀起始用量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響

氯化鉀是從萃余酸中回收利用磷酸生成磷酸二氫鉀的重要原料。在m（萃余酸）∶V（正丁醇）為105.84 g/L、m（水）∶V（正丁醇）為95 g/L、溫度為30℃、萃取時間為60 min條件下，考察了氯化鉀起始用量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖1。從圖1可知，氯化鉀的起始用量對磷酸二氫鉀的產(chǎn)量有較大影響，當氯化鉀的起始用量增大時，磷酸二氫鉀的產(chǎn)量隨之增加；當氯化鉀的起始用量達到某一值時，這種增長趨勢變緩。但是氯化鉀加入量的增加勢必會增加成本。故適宜的氯化鉀起始用量［m（氯化鉀）∶V（正丁醇）］為26.075 g/L。

圖1 氯化鉀起始用量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響

2.1.2 萃取時間及用水量對產(chǎn)量的影響

在氯化鉀起始用量為 1 L正丁醇 26.075 g、m（萃余酸）∶V（正丁醇）為105.84 g/L、溫度為30℃的條件下，研究了反應(yīng)時間及正丁醇含水量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響，結(jié)果見圖2。由圖2可知，磷酸二氫鉀的產(chǎn)量在60 min之前隨反應(yīng)時間的延長快速提高；但在60 min之后則提高緩慢。這說明整個反應(yīng)過程在60 min時基本完成，如若再延長反應(yīng)時間則意義不大，且會增加設(shè)備投入和能源消耗。

圖2 萃取時間及正丁醇含水量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響

水在反應(yīng)中起著相當重要的作用，是影響磷酸二氫鉀產(chǎn)量的一個因素。由圖2可見，磷酸二氫鉀的產(chǎn)量隨著正丁醇中含水量的增加呈增長趨勢。加水量較少時，反應(yīng)結(jié)束較早，磷酸二氫鉀的產(chǎn)量較低；增加用水量后，反應(yīng)結(jié)束較晚，磷酸二氫鉀的產(chǎn)量也明顯提高。究其原因，萃取劑正丁醇與水有一定的互溶性，若含水量較少時進行反應(yīng)，萃取時存在正丁醇的水飽和過程，致使磷酸二氫鉀產(chǎn)量降低。

綜合考慮上述因素，反應(yīng)適宜時間為60 min，正丁醇含水量為80～100 g/L。

2.1.3 溫度對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響

在 m（水）∶V（正丁醇）為 95 g/L、m（氯化鉀）∶V（正丁醇）為26.075 g/L、m（萃余酸）∶V（正丁醇）為105.84 g/L、反應(yīng)時間為 60 min、正丁醇用量為100 mL的條件下，改變不同的溫度進行實驗，得到實驗結(jié)果見圖3。溫度會影響有機相的黏度及反應(yīng)速率。氯化鉀與磷酸的反應(yīng)是吸熱反應(yīng)，升高溫度有利于提高產(chǎn)量和反應(yīng)速率、縮短反應(yīng)時間。但溫度升高磷酸二氫鉀的溶解度也隨之提高，不利于磷酸二氫鉀的結(jié)晶析出，同時升高溫度會增加生產(chǎn)成本。綜合考慮磷酸二氫鉀產(chǎn)量、能耗等因素，選擇反應(yīng)溫度為10℃。

圖3 萃取溫度對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響

3 正交試驗

單因素實驗主要確定了各因素對產(chǎn)品產(chǎn)量影響的主要范圍，在不影響磷酸二氫鉀產(chǎn)量的前提下，氯化鉀的起始用量應(yīng)為1 L正丁醇26.075 g、反應(yīng)時間為60 min。同時可得出溫度、正丁醇含水量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量影響較大。為進一步探究萃取溫度、萃余酸與正丁醇相比、正丁醇含水量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響，進行了正交試驗，具體方案見表2。

正交試驗結(jié)果見表3。從表3可得，各因素對產(chǎn)品產(chǎn)量的作用大小為：正丁醇含水量＞萃取溫度＞萃余酸與正丁醇相比。最優(yōu)組合為A1B2C1，即m（萃余酸）∶V（正丁醇）為 127.4 g/L、m（水）∶V（正丁醇）為95 g/L、溫度為30℃。綜合分析得出較優(yōu)方案如下：m（萃余酸）∶V（正丁醇）為127.4 g/L、m（水）∶V（正丁醇）為 95 g/L、溫度為 30℃、萃取時間為 60 min、m（氯化鉀）∶V（正丁醇）為26.075 g/L。

表2 因素水平表

表3 正交試驗結(jié)果

4 結(jié)果與討論

1）用氯化鉀制備磷酸二氫鉀的最佳工藝條件為：m（萃余酸）∶V（正丁醇）為127.4 g/L、m（水）∶V（正丁醇）為95 g/L、溫度為30℃、萃取時間為 60 min、m（氯化鉀）∶V（正丁醇）為26.075 g/L。萃取溫度、萃余酸與正丁醇相比、正丁醇含水量對磷酸二氫鉀產(chǎn)量的影響大小為：正丁醇含水量＞萃取溫度＞萃余酸與正丁醇相比。2）有機溶劑萃取法對萃余酸的再利用是一種有效的方法，本研究采用正丁醇為萃取劑，它具有將萃余酸中磷酸組分和其他雜質(zhì)組分分離的作用，同時還可以將磷酸二氫鉀和氯化氫分離。應(yīng)用此法對萃余酸進行再利用是比較先進的。3）本工藝對雜質(zhì)含量較高的萃余酸的利用提供了有效的方法，有利于對環(huán)境的保護和對資源的充分利用，達到了節(jié)能減排的目的。

［1］江善襄.磷酸、磷肥和復(fù)混肥料［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1999：415-454.

［2］鐘本和，陳亮，李軍，等.溶劑萃取法凈化濕法磷酸國內(nèi)近況［J］.硫磷設(shè)計與粉體工程，2006（6）：1-6.

［3］黃偉九，張俊.溶劑沉淀法凈化濕法磷酸技術(shù)的現(xiàn)狀與進展［J］.化工進展，1997（6）：39-42.

［4］祁增忠，黃美英，龔海燕.溶劑萃取法凈化濕法磷酸的研究［J］.硫磷設(shè)計與粉體工程，2004（3）：1-3.

聯(lián)系方式：zuhzoj@yahoo.com.cn

Preparation of potassium dihydrogen phosphate with raffinate from phosphoric acid purification by extraction method

You Caixia1，Yang Zhengfa2，Wang Guizhen1，Zhou Junhong2，Sun Na1
（1.Department of Chemical and Environmental Engineering，Hebei Chemical&Pharmaceutical Vocational Technology College，Shijiazhuang 050026，China；2.Department of Chemistry and Chemical Engineering，Qiannan Normal College for Nationalities）

A new method for preparation of potassium dihydrogen phosphate from potassium chloride and the raffinate from phosphoric acid purification by extraction method with butyl alcohol as extractant was studied.The influences of the butyl alcohol′s water content，extraction time，extraction temperature，and amounts of the raffinate on product quality were investigated and the optimum conditions were confirmed as follows：127.4 g raffinate was contained per 1 L butyl alcohol，95 g water was contained per 1 L butyl alcohol，the extraction time was 60 min，the extraction temperature was 30℃，and 26.075 g potassium chloride was used per 1 L butyl alcohol.The advantages of the method were economical and simple in operation.

potassium dihydrogen phosphate；butyl alcohol；extraction method；raffinate

TQ131.13

A

1006-4990（2014）01-0056-03

2013-07-25

尤彩霞（1982— ），女，助教，碩士研究生，主要從事《煉焦化學(xué)產(chǎn)品與加工》、《化工分離過程》等課程的教學(xué)及分離與純化技術(shù)的科研工作。

周駿宏