含鋁離子交換樹脂的再生工藝

雷亮，陶柱，江蕾，田丹 (武漢有機(jī)實(shí)業(yè)有限公司，湖北 武漢 430080)

1 含鋁離子交換樹脂再生工藝應(yīng)用現(xiàn)狀

濕法磷酸在磷酸鹽或者磷肥等相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用比較廣泛，與目前現(xiàn)有生產(chǎn)工藝特點(diǎn)進(jìn)行結(jié)合。在濕法磷酸生產(chǎn)中，對大量金屬氧化物進(jìn)行科學(xué)合理的引入，比較常見的氧化物包括：氧化鐵、氧化鎂等。涉及到的鋁離子會逐漸形成相對比較復(fù)雜的磷酸鹽，導(dǎo)致溶液自身黏度以及密度有明顯上升趨勢，會造成嚴(yán)重的堵塞影響，后續(xù)產(chǎn)品在加工時(shí)，會受到嚴(yán)重阻礙影響。鋁離子對于植物生長也會帶來嚴(yán)重影響，特別是在食品加工行業(yè)發(fā)展中，對于人體安全也會造成嚴(yán)重危害。在針對該問題進(jìn)行分析時(shí)，要對濕法磷酸當(dāng)中的鋁離子雜質(zhì)進(jìn)行有針對性脫除，對與其相關(guān)的再生工藝展開深入研究，與過去一系列研究經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)合。大多數(shù)研究者在針對濕法磷酸當(dāng)中涉及到的雜質(zhì)離子進(jìn)行脫除時(shí)，比較常見的方法包括結(jié)晶法以及液膜分離法等[1]。離子交換法在應(yīng)用時(shí)，整個(gè)操作過程具有一定便利性，同時(shí)具有安全性和穩(wěn)定性等優(yōu)勢特點(diǎn)，所以在應(yīng)用時(shí)受到了人們的廣泛關(guān)注和重視。

同時(shí)在新形勢背景下，我國科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和快速發(fā)展，離子交換法逐漸成熟，在很多領(lǐng)域中的應(yīng)用相對比較廣泛，具有非常高的借鑒價(jià)值。比如含鐵磷酸凈化的整個(gè)研究成果相對比較良好，同時(shí)對離子交換樹脂凈化含鋁磷酸的動(dòng)力學(xué)以及相關(guān)特殊機(jī)制展開深入研究，以此來實(shí)現(xiàn)對鋁離子雜質(zhì)的有效脫除。交換樹脂再生可以被看作是離子交換樹脂凈化技術(shù)在應(yīng)用時(shí)，非常重要的組成部分。因此要針對這種類型樹脂的再生系統(tǒng)展開深入分析，以此為基礎(chǔ)，能夠提出有針對性的再生利用手段。與再生工藝參數(shù)以及磷回收等進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對其自身再生性能以及回收能力的合理判斷，這樣才能夠保證離子交換樹脂在濕法磷酸凈化中的合理利用。

2 含鋁離子交換樹脂再生工藝試驗(yàn)設(shè)備與方法

2.1 實(shí)驗(yàn)原料以及儀器設(shè)備

針對鋁離子交換樹脂再生工藝展開深入研究時(shí)，要與相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作進(jìn)行結(jié)合，這樣能夠?qū)υ摴に囀侄蔚木唧w應(yīng)用情況展開深入探究。陽離子交換樹脂自身的功能基團(tuán)是-SO3H，全交換容量在經(jīng)過測量之后為5.18 mmol/g，孔容為0.060 2 mL/g。自身比表面積是8.91 m2/g，自由水則是55.3%，平均口徑是27.02 nm。與樹脂吸附過程展開深入分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在整個(gè)過程中需要對含鋁磷酸進(jìn)行合理利用，以熱法磷酸與十八水硫酸鋁模擬施法磷酸進(jìn)行配置后，可以得出對應(yīng)的含鋁磷酸[2]。在整個(gè)過程中需要對純樣品進(jìn)行深入分析，在樹脂吸附之后，自由水呈現(xiàn)出干凈狀態(tài)時(shí)，其自身為29.05 mg/g。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，主要是以集熱式恒溫加熱磁力攪拌器以及電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀等不同類型儀器設(shè)備為主。

2.2 實(shí)驗(yàn)方法

在針對含鋁離子交換樹脂再生工藝展開研究時(shí)，要對其進(jìn)行有針對性的實(shí)驗(yàn)操作，這樣能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對該工藝手段的具體應(yīng)用情況展開深入探究。在實(shí)驗(yàn)操作中，首先要對交換樹脂進(jìn)行再生處理，在脫附時(shí)，通常會以水洗、酸洗以及水洗工藝手段為主。要與實(shí)驗(yàn)方案進(jìn)行結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對定量硫酸溶液科學(xué)合理的配置，嚴(yán)格按照現(xiàn)有固液比例，對一定量樹脂進(jìn)行獲取和利用。在分別預(yù)熱之后，加入到反應(yīng)釜當(dāng)中對其進(jìn)行攪拌，要保證整個(gè)攪拌過程的混合性和均勻性[3]。反應(yīng)時(shí)間控制在40 min 左右即可，這樣能夠保證其自身處于完全反應(yīng)狀態(tài)。在分離之后需要對液相取樣質(zhì)量進(jìn)行稱重，利用ICP-OES 對液相當(dāng)中涉及到的鋁離子含量進(jìn)行有針對性分析。同時(shí)對脫附率進(jìn)行準(zhǔn)確有效的計(jì)算，以脫附率為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對溫度硫酸濃度以及固液比等變量的客觀分析。其次在交換樹脂當(dāng)中的磷回收操作過程中，要嚴(yán)格按照現(xiàn)有的一系列設(shè)計(jì)要求，按照不同批次對其進(jìn)行一級水洗、二級逆流水洗以及三級逆流水洗等。同時(shí)要針對分離之后的固相以及液相展開分別有針對性地稱量。對相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確有效的記錄，同時(shí)取樣之后利，用相關(guān)方法進(jìn)行處理，對洗滌前后的磷含量進(jìn)行計(jì)算，以此來得出磷損失以及磷回收率。

2.3 含鋁樣品分析方法

首先在整個(gè)試驗(yàn)操作過程中，要針對含鋁樣品進(jìn)行分析時(shí)，向已經(jīng)取好的樣品當(dāng)中加入硝酸。在250 mL 容量瓶當(dāng)中，需要對硝酸10 mL 進(jìn)行加入，進(jìn)接著加去離子水進(jìn)行定容處理，同時(shí)要保證其均勻性[4]。從中獲取5 mL 溶液，在50 mL 容量瓶當(dāng)中加入去離子水進(jìn)行應(yīng)用處理，同時(shí)搖勻之后待檢測。其自身取適量待測液利用ICP-OES 的方式，對樣品當(dāng)中鋁質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行準(zhǔn)確有效的檢測。

3 含鋁離子交換樹脂再生工藝實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 再生次數(shù)

與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行結(jié)合分析時(shí)，發(fā)現(xiàn)在再生次數(shù)方面，自由水為25%，固液質(zhì)量比是0.3，而反應(yīng)溫度為50 ℃時(shí)，在40 min的條件下能夠?qū)崿F(xiàn)多次反應(yīng)。在根據(jù)反應(yīng)之后的情況進(jìn)行分析，硫酸溶液當(dāng)中的Al 離子含量能夠得到有效控制。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)果可以看出脫附反應(yīng)一直到第4 次時(shí)，硫酸溶液當(dāng)中Al 離子含量已經(jīng)呈現(xiàn)出將近于0 的狀態(tài)。將樹脂當(dāng)中初始Al離子含量作為標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，與其進(jìn)行對比分析，第4 次Al 離子脫附率有明顯下降趨勢[5]。能夠下降到2%以內(nèi)，第6 次脫附率直接下降到0.12%。此時(shí)樹脂當(dāng)中的自由水大概是0.716 mg/g。與物料成本進(jìn)行綜合分析，將脫附6 次看作脫附結(jié)束。對物料進(jìn)行計(jì)算分析時(shí)，可以看出現(xiàn)有條件下Al 離子自身的總脫附率能夠達(dá)到93.52%。由此可以看出，在經(jīng)過一系列脫附之后，仍然會存有部分Al 離子。

3.2 工藝參數(shù)對再生效果的影響

通過水洗酸洗以及水洗工藝手段的合理利用，能夠?qū)Ω鞣N不同類型工藝條件下脫附率以及脫附量進(jìn)行準(zhǔn)確有效的計(jì)算和對比分析。第1 次水洗對于脫附的影響相對比較小，并不納入到討論范圍當(dāng)中。通過實(shí)驗(yàn)操作，對于酸洗以及第2 輪水洗結(jié)果展開對比分析，在實(shí)驗(yàn)當(dāng)中使用的樹脂初始自由水是29.05 mg/g。

3.2.1 硫酸濃度對脫附的影響

與現(xiàn)階段的實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行結(jié)合，將溫度控制在50 ℃，固液質(zhì)量比控制在1.0:1.1。自由水設(shè)置為15%、20%以及25%和30%、35%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果，可以看出硫酸濃度自身出現(xiàn)的一系列變化，對于鋁離子的脫附率而言會產(chǎn)生明顯影響。濃酸硫酸濃度水平相對比較低時(shí)，整個(gè)效果相對比較明顯。在整個(gè)酸洗中，脫附率有明顯增加時(shí)，硫酸濃度也會呈現(xiàn)出持續(xù)增加的狀態(tài)。在自由水達(dá)到30%是基本上處于相對比較穩(wěn)定的狀態(tài)。在酸洗過程中，硫酸濃度自身的上升，對于水洗步驟當(dāng)中的脫脫附率而言，具有非常重要的提升作用，可以將這種情況看作是酸洗步驟當(dāng)中有殘留硫酸而引起對濃硫酸濃度過高。對樹脂氧化會產(chǎn)生破壞影響，基于此，展開綜合分析，確定自由水控制在25%時(shí)，硫酸濃度最合適，對于脫附量而言，現(xiàn)有的規(guī)律基本上能夠與脫附率達(dá)成一致。

3.2.2 溫度對脫附的影響

與現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件進(jìn)行結(jié)合，將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定成固液質(zhì)量比為1.0:1.1，自由水為25%，溫度梯度控制在30 ℃、40 ℃、75 ℃、60 ℃以及70 ℃。在不同溫度條件下，對AI 離子脫附率進(jìn)行對比分析，根據(jù)相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出溫度的不斷上升，脫附率在42%附近位置處，會產(chǎn)生一系列波動(dòng)。由此可以看出溫度對于AI 離子脫附率能夠產(chǎn)生的影響相對比較小，但是與其自身反應(yīng)速率進(jìn)行綜合分析之后，確定50 ℃為最佳反應(yīng)溫度。

3.2.3 固液質(zhì)量比對脫附的影響

在針對工業(yè)質(zhì)量比對與脫附會產(chǎn)生的影響展開深入探究，將實(shí)驗(yàn)條件設(shè)定為自由水為25%。溫度控制在50 ℃，對工業(yè)質(zhì)量比進(jìn)行有效控制，分別將其控制在1.0:6.6、1.0:3.3、1.00:6.65、1.0:1.1 以及1:0.825。與不同固液質(zhì)量比的條件進(jìn)行結(jié)合，對AI離子脫附率帶來的一系列影響展開實(shí)驗(yàn)探究，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，脫附率會隨著固液質(zhì)量比的不斷提升，呈現(xiàn)出系列下降趨勢，能夠滿足現(xiàn)階段一般規(guī)律。也就是再生液相對比較多，再生效果也會越來越理想。對于酸洗之后的水洗而言，固液質(zhì)量比的改變，并沒有帶來任何明顯影響。與洗水用量以及高效利用等相關(guān)因素條件進(jìn)行綜合分析，將1.0:1.1 看作最佳固液質(zhì)量比。

3.3 磷的回收

在整個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)操作過程中，對多級逆流水洗工藝手段進(jìn)行合理利用，能夠?qū)X離子交換樹脂當(dāng)中，磷具體回收情況展開深入探究。在實(shí)驗(yàn)操作過程中，將溫度控制在50 ℃，固液質(zhì)量比控制在1.0:1.1。經(jīng)過多次間接實(shí)驗(yàn)?zāi)M操作之后，可以得到一級水洗、二級逆流水洗、以及三級逆流水洗。此時(shí)，磷的回收率分別是93.04%、95.75%以及98.12%。與三極逆流水洗條件下，與磷的回收情況進(jìn)行結(jié)合時(shí)，發(fā)現(xiàn)該工藝手段能夠直接實(shí)現(xiàn)對磷損失量的有效控制，將其控制在2%以下。與洗水用量以及工藝復(fù)雜等相關(guān)因素條件進(jìn)行結(jié)合，發(fā)現(xiàn)在實(shí)踐中并沒有提出更高要求，所以并不需要對洗滌級數(shù)進(jìn)行提升。

4 結(jié)語

與現(xiàn)有一系列技術(shù)手段、實(shí)驗(yàn)操作原理等相關(guān)因素進(jìn)行結(jié)合，針對含鋁離子樹脂脫附過程涉及到的工藝參數(shù)以及磷回收展開深入探究。在經(jīng)過一系列實(shí)驗(yàn)操作以及對比分析之后，確定最優(yōu)再生工藝條件是溫度控制在50 ℃、自由水為25%，整個(gè)攪拌轉(zhuǎn)速控制在100 r/min。而固液質(zhì)量比則控制在1.0:1.1。在該條件背景下能夠?qū)崿F(xiàn)對樹脂脫附率的有效提升。經(jīng)過磷回收實(shí)驗(yàn)操作之后，發(fā)現(xiàn)磷回收率有明顯上升趨勢。在實(shí)驗(yàn)操作中，分別對一級水洗、二級逆流水洗以及三級逆流水洗展開深入探究。根據(jù)實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在三級逆流條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)對磷損失量的有效控制，將其控制在2%范圍之內(nèi)，以此來達(dá)到良好的脫附效果。