概述
濕法生產是用無機酸分解磷礦粉,分離出粗磷酸,再經淨化後製得磷酸產品。濕法磷酸比熱法磷酸成本低20%~30%,經適當方法淨化後,產品純度可與熱法磷酸相媲美。濕法磷酸工藝處於磷酸生產的主導地位。
濕法磷酸工藝按其所用無機酸的不同可分為硫酸法、硝酸法、鹽酸法等。礦石分解反應式表示如下:
Ca5F(PO4)3+10HNO3 == 3H3PO4 + 5Ca(NO3)2 + HF (1-1)
Ca5F (PO4)3 + 10HCl == 3H3PO4 + 5CaCl2 + HF (1-2)
Ca5F(PO4)3+5H2SO4+ nH2O == 3H3PO4 + 5Ca SO4·nH2O +HF (1-3)
這些反應的共同特點是都能夠製得磷酸。但是,磷礦中的鈣生成什麼形式的鈣鹽不盡相同,各有其特點。反應終止後,如何將鈣鹽分離出去,並能經濟地生產出磷酸則是問題的關鍵。
相應地,濕法磷酸的生產工藝可分為無水物法、半水法、二水法及半水-二水法等。其中,二水法由於技術成熟、操作穩定可靠、對礦石的適應性強等優點,在濕法磷酸工藝中居於主導地位。我國80%以上的磷酸都採用濕法磷酸二水法流程生產。二水法流程具有工藝簡單、技術成熟、對礦石種類適應性強的特點,特別適用於中低品位礦石,在濕法磷酸生產中居於統治地位。
生產工藝
硝酸法
最早由奧達公司開發,稱為奧達法。它是用硝酸分解磷礦生成磷酸和水溶性硝酸鈣,然後採用冷凍、溶劑萃取、離子交換等方法分離出硝酸鈣。受硝酸價格、能耗高、流程長等條件的影響,工業套用極少。
鹽酸法
上世紀60年代初,以色列礦業工程公司(I.M.I)開發了著名的IMI法,首次實現了鹽酸法生產磷酸的工業化[5]。它是將磷礦與鹽酸反應,生成磷酸和氯化鈣水溶液,然後用有機溶劑(如脂肪醇、丙酮、三烷基磷酸脂、胺或醯胺等)萃取分離出磷酸。但該法存在工藝複雜、副產物氯化鈣難以經濟回收等問題。
硫酸法
硫酸法的特點是礦石分解後的產物磷酸為液相,副產物硫酸鈣是溶解度很小的固相。兩者的分離是簡單的液固分離,具有其他工藝方法無可比擬的優越性。因此,硫酸法生產磷酸工藝在濕法磷酸生產中處於主導地位。但是其產生的大量磷石膏廢渣無法得到有效的利用,三廢問題嚴重。
反應式(1-3)中n的值取決於硫酸鈣結晶的形式,可以是0,1/2,2。在不同的反應溫度和磷酸濃度下,可以生成無水硫酸鈣(CaSO4),半水硫酸鈣(CaSO4·0.5H2O)和二水硫酸鈣(CaSO4·2H2O)。
二水法流程至今仍存在著一些難以克服的缺陷。由於加工工藝粗放,礦石中的有害雜質大部分進入磷酸中。特別是氟元素,一旦進入液相,很難再分離出來。更嚴重的是,產生大量的磷石膏廢料,造成嚴重的污染和浪費。因此,陳學璽等[31]通過研究,對現行的工藝過程進行了改進,分兩步進行反應。
第一步:採用磷酸浸取磷礦石,從控制化學反應的條件出發,減少化學反應本身對目標產物的污染。磷酸與磷礦的主要反應方程式如下:
Ca5F(PO4)3 + 7H3PO4 +5 H2O → 5Ca(H2PO4)2·H2O + HF (1-4)
第二步:提供適宜的結晶條件,使副產磷石膏中的雜質含量,尤其是磷含量顯著降低,提高磷回收率,使磷石膏滿足建築材料生產的要求,從源頭上解決磷石膏污染的難題。硫酸的離子化反應可瞬時完成:
Ca(H2PO4)2·H2O + H2SO4 +(n-1)H2O → CaSO4·nH2O + 2H3PO4 (1-5)
這種分步反應的思想方法與“先污染後治理”的傳統思路完全不同,符合綠色化學的基本原理,完全符合可持續發展戰略的要求。次方法有待實際的考驗。