胶质气体泡沫浮选法脱除磷酸二氢钠中Fe3+研究*

罗建洪，李 军，孙毅伟，朱新华，代 爽

（四川大学化工学院，四川成都610065）

胶质气体泡沫浮选法脱除磷酸二氢钠中Fe3+研究*

罗建洪，李 军*，孙毅伟，朱新华，代 爽

（四川大学化工学院，四川成都610065）

用湿法磷酸来生产工业级磷酸二氢钠（NaH2PO4）时，由于湿法磷酸中含有大量杂质，如金属阳离子Fe3+、Mg2+、Al3+等，为了制备合格产品，必须采用适当的分离除杂手段除去这些离子。本文提出采用胶质气体泡沫（CGA）对其进行除Fe3+杂质。以十二烷基苯磺酸钠（SDBS）作为表面活性剂，在5000r·min-1的转速下生成胶质气体泡沫（CGA）。然后，将其通入浮选柱中。静置一段时间之后，进行气浮分离。本文主要考察静置时间、Fe3+浓度以及浮选时间对去除率的影响。实验结果表明，Fe3+的去除率随Fe3+的浓度以及静置时间的增大而降低，而随浮选时间的增大而增大。实验结果表明，在适宜工艺条件下，经过三级萃取Fe3+去除率可达95%以上。

湿法磷酸；NaH2PO4；CGA浮选；Fe3+

NaH2PO4主要用于锅炉水处理[1]、酸度缓冲剂、洗涤剂、制焙粉、云母片砌合、鞣革、电镀及抗酸碱的水性涂料[2]的添加剂等，也用作织物、木材和纸张的阻燃剂、防皱剂[3]、釉药和焊药以及微生物燃料电池的材料[4]，是磷酸盐工业的重要产品之一。在合成乙酸丁酯[5]、乙酸异戊酯、乳酸乙酯等中，NaH2PO4还作为催化剂使用。NaH2PO4是制取六偏磷酸钠、三偏磷酸钠[6]和酸式焦磷酸钠[7]及其它缩聚磷酸盐的原料。

国内生产工业级NaH2PO4的方法主要是中和法，采用烧碱或纯碱与热法磷酸直接生产，虽然品质可以达到要求，但能耗高、成本大。通过湿法磷酸生产NaH2PO4，由于湿法磷酸成本低而受到关注，但是湿法磷酸生产NaH2PO4，用中和到pH值4~4.5,会先除去一部分金属阳离子后，在后续的浓缩、冷却结晶过程中仍会有残留的Fe3+大概在100mg·L-1左右，会对NaH2PO4结晶产品的晶型有很大的影响，使晶体显针状见图1。

因此，以湿法磷酸和工业级碳酸钠为原料，来制备工业级NaH2PO4，Fe3+的脱除显得非常有必要[8]。本文提出采用胶质气体泡沫（CGA）浮选法脱除Fe3+制备工业级NaH2PO4的新工艺，并对工艺控制参数进行了优化。

图1 Fe3+对NaH2PO4结晶形态的影响Fig.1 Effect of Fe3+on the NaH2PO4crystal form

胶质气体泡沫是预分散溶剂萃取技术当中的一种，是由Sebba于二十世纪70年代最先提出的。胶质气体泡沫是由表面活性剂水溶液在高速搅拌（n>5000r·min-1）下混合生成的直径10~100μm的微细气泡。Sebba假定这些微细气泡的结构不同于常规的浮选气泡，如图2所示，它由气泡内核和一层包封气相的皂膜组成，皂膜有内外二个表面，表面均吸附了表面活性剂单分子层，它们的亲水基团朝内，疏水基团朝外，而在该相与体相水之间的界面上，亲水基团朝向体相水，疏水基团朝向皂膜层，并有双电层存在。因而它与普通泡沫在性质上有很大差别。从开始CGA的研究以来，人们接受了这种结构的提法，迄今为止也还没有其它结构来代替这种解释[9]。CGA的直径大约是25～100μm左右，含气量可达65%左右。CGA都具有良好的稳定性，不易破裂或聚结，因此，很多学者试图尝试利用CGA进行分离技术。王运东、戴猷元等人运用CGA气浮铜离子[10]；王晓燕做了含Cu（Ⅱ）废液-CGA浮选柱处理的正交实验研究[11]；储金宇等人做了胶质气体泡沫气浮分离含Cu（Ⅱ）废水的实验研究[12]；也有学者利用CGA来回收蛋白质[13，14]及有机杂质[15]。

图2 胶质气体泡沫结构图Fig.2 Structure of an Aphron

1 实验部分

1.1 原料、试剂及仪器

十二烷基苯磺酸钠（SDBS）（A.R.成都科龙化工有限公司）；二级纯水；Fe2（SO4）3（A.R.成都科龙化工有限公司）；H3PO4（A.R.成都科龙化工有限公司）；实验采用二次蒸馏水；Na2CO3（A.R.天津科密欧化学试剂有限责任公司）。

FLUKO仪表式剪切乳化搅拌器（上海新浦仪表厂）；BT00-100M型蠕动泵（保定兰格恒流泵有限公司）；ACO-002型电磁式空气泵（浙江森森实业有限公司）；浮选柱（内径5cm，长1m），自制；UV-1100型紫外可见分光光度计（上海美普达仪器公司）；BSA224S型电子天平（赛多利斯科学仪器有限公司）；PHS-3D型pH计（上海精密科学有限公司）。

1.2 实验过程

以SDBS为表面活性剂，加入二级纯水配置一定浓度的SDBS溶液，取一定量配置好的SDBS溶液加入到1000mL的发生器中。采用FLUKO仪表式剪切乳化搅拌器来产生胶质气体泡沫，开动搅拌，控制搅拌速度在5000r·min-1左右，液体体积迅速膨胀，产生大量气泡，搅拌3min产生稳定泡沫，停止搅拌。

在浮选柱中加入50mL NaH2PO4溶液（含Fe3+含量170×10-6），启动BT00-100M型蠕动泵，将发生器中制备好的胶质气体泡沫打入浮选柱中。启动ACO-002型电磁式空气泵，通空气浮选一定时间后，使得胶质气体泡沫与NaH2PO4溶液很好地分离。取下层NaH2PO4溶液进行Fe3+含量的分析。实验装置见图3。

图3 CGA浮选装置Fig.3 Structure of CGA flotation unit

1.3 分析方法

Fe3+含量的分析采用邻菲罗琳分光光度法进行分析。

2 结果与讨论

CGA浮选过程的分离效果，用去除率（E）来表征，定义如下：

2.1 静置时间对去除率的影响

考察NaH2PO4溶液与胶质气体泡沫混合后静置时间对去除率的影响，采用单一变量法，在保证其他条件不变的情况下，依次改变静置时间进行实验。分别改变静置时间为0.5、1、1.5、2、2.5、3min进行实验。每次在浮选柱中加入50mL NaH2PO4溶液，取1倍临界胶质浓度的SDBS溶液200mL加入到1000mL的发生器中，启动剪切乳化搅拌器，搅拌3min，将生成的胶质气体泡沫用蠕动泵打入浮选柱内，控制蠕动泵转速100r·min-1，当蠕动泵生成的胶质气体泡沫全部被打入浮选柱之后，静置相应时间，开启空气泵，通空气浮选10s。取下端液体进行Fe3+含量分析。试验结果见图4。

图4 静置时间对去除率的影响Fig.4 Removal efficiency（E）versus the repose time

2.2 Fe3+浓度对去除率的影响

考察通Fe3+浓度对去除率的影响，采用单一变量法，在保证其他条件不变的情况下，依次改变Fe3+浓度进行实验。分别改变Fe3+浓度为170、370、570、770、970×10-6进行试验。每次在浮选柱中加入50mL NaH2PO4溶液，取1倍临界胶质浓度的SDBS溶液200mL加入到1000mL的发生器中，启动剪切乳化搅拌器，搅拌3min，将生成的胶质气体泡沫用蠕动泵打入浮选柱内，控制蠕动泵转速100r·min-1，当蠕动泵生成的胶质气体泡沫全部被打入浮选柱之后，开启空气泵，通空气浮选10s。取下端液体进行Fe3+含量分析。试验结果见图5。

图5Fe3+的浓度对去除率的影响Fig.5 Removal efficiency（E）versus the original concentration of Fe3+

随着Fe3+浓度的增加，溶液中Fe3+含量越多，但是胶质气体泡沫的量是不变的，则吸收的铁离子量是一定的，那么剩余的Fe3+增多，因此，随着Fe3+浓度的增加去除率逐渐降低。

2.3 浮选时间对去除率的影响

考察通空气浮选时间对去除率的影响，采用单一变量法，在保证其他条件不变的情况下，依次改变浮选时间进行实验。分别改变浮选时间为20、30、40、50、60s进行实验。每次在浮选柱中加入50mL NaH2PO4溶液，取1倍临界胶质浓度的SDBS溶液200mL加入到1000mL的发生器中，启动剪切乳化搅拌器，搅拌3min，将生成的胶质气体泡沫用蠕动泵打入浮选柱内，控制蠕动泵转速100r·min-1，当生成的胶质气体泡沫全部被打入浮选柱之后，开启空气泵，通空气浮选相应时间。取下端液体进行Fe3+含量分析。试验结果见图6。

图6 浮选时间对去除率的影响Fig.6 Removal efficiency（E）versus the flotation time

在胶质气体泡沫与NaH2PO4溶液充分接触之后，采用浮选的方法将其分离。理论上，浮选的时间越长，胶质气体泡沫与NaH2PO4的分离越彻底，那么，Fe3+的去除率就越高。但实际上，胶质气体泡沫的稳定性是一个关键的因素，因为它在生成之后都会随时间发生排液和破裂等现象，从而使得被萃走的Fe3+重新返回NaH2PO4溶液，降低去除率。由图6可知，Fe3+的去除率随浮选时间增大反而呈现出先增大后减小的情况。50s相当于一个临界时间点，比50s时间更长时，去除率会降低。

3 结论

（1）Fe3+的去除率随着静置时间的加大而呈持续降低的趋势；

（2）Fe3+的去除率随着随着Fe3+浓度的增加去除率逐渐降低；

（3）Fe3+的去除率随浮选时间增大反而呈现出先增大后减小的情况。50s相当于一个临界时间点，比50s时间更长时，去除率会降低。

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Study on removal of Fe3+from sodium dihydrogen phosphate by colloidal gas aphrons*

LOU Jian-hong，LI Jun*，SUN Yi-wei，ZHU Xin-hua，DAI Shuang
（Dep.of Chemical Engineering，Sichuan University，Chengdu 610065，China）

：Wet-process phosphoric acid（WPA）is gradually paid attention to in recent years.However,there are some undesirable impurities（Fe3+,Al3+,Mg2+）in WPA,which will degrade the quality of sodium dihydrogen phosphate（NaH2PO4）products.To get the superior grade NaH2PO4,the WPA should be purified.In this paper, colloidal gas aphrons is applied to remove Fe3+,in this experiment,CGA is created by stirring sodium dodecylbenzene sulfonate surfactant solution at a high speed of 5000r·min-1.Then,CGA suspensions are injected in the flotation column.CGA suspensions and NaH2PO4solution are separated by flotation after stewing a while.Meanwhile,to study the advantages of the CGA flotation process,the major influencing factors on the extraction efficiencies of Fe3+is investigated,and the optimal influencing factors for removal of Fe3+with CGAs is presented.The results show that the removal ratio of more than 95%can be obtained by three cross-flow flotation under appropriate conditions.

wet-process phosphoric acid；NaH2PO4；CGA flotation process；Fe3+

TQ131；TQ44

A

10.16247/j.cnki.23-1171/tq.20161215

2016-10-13

四川省基础应用研究项目（2014JY0079）

罗建洪（1980-），男，2010年毕业于四川大学化学工艺专业博士，四川大学副教授，现从事分离与纯化技术科研研究。