双极膜电渗析法循环利用磷石膏的影响因素

摘要

磷石膏是湿法磷酸生产过程中的副产物，截至2011年，我国磷石膏累计产生量超过3亿吨，堆存量超过2.5亿吨。长期堆存磷石膏不仅占用大量土地资源，造成环境污染，还会给生产企业征地和建堆场带来很大的经济负担。但是现有的磷石膏开发利用技术水平较为滞后，综合利用成本偏高，且产品市场需求不大，不利于推广。故本文提出一种双极膜电渗析法（BMED）循环利用磷石膏的新工艺：第一步将磷石膏分解为可溶性硫酸盐溶液，副产碳酸钙或氢氧化钙；第二步采用双极膜电渗析技术将可溶性硫酸盐溶液分解为硫酸和碱，硫酸可循环用于分解磷矿，碱则可循环用于分解磷石膏。论文主要研究内容及结果如下：
　　1、通过对比氢氧化钠和碳酸钠分解转化磷石膏的效果，发现用氢氧化钠将磷石膏分解转化为硫酸钠和氢氧化钙的工艺更具优势，而且得到的硫酸钠溶液电渗析后碱室产物氢氧化钠可直接回用于分解磷石膏，故最终选用氢氧化钠作为分解磷石膏的试剂。然后采用单因素实验的方法，考察分解磷石膏制备硫酸钠过程中诸多因素对硫酸根转化率的影响，确定了制备硫酸钠的最佳工艺条件：氢氧化钠用量比（实际用量与理论用量的质量比）为1.2、液固比3.5、反应温度20℃、反应时间3h，在此条件下，磷石膏中硫酸根的回收率可达87.57％。
　　2、在利用磷石膏分解液进行双极膜电渗析分解实验之前，预先实验考察双极膜电渗析分析纯的硫酸钠溶液制备酸碱的情况，判断其可行性。实验结果表明，双极膜电渗析可以将硫酸钠溶液成功分解为硫酸和碱，且该工艺产物选择性高、过程稳定、流程短、操作简单。
　　3、确定双极膜电渗析法分解硫酸盐制备酸碱的可行性后，下一步考察并对比分析纯的硫酸钠溶液和磷石膏分解液电渗析过程中，通电方式、盐室料液启动浓度、电流密度、通电时间等参数对盐室料液分解率、分解能耗和电流效率的影响。综合分析实验结果可得，对于纯硫酸钠溶液，当盐室启动料液浓度为0.758mol/L，通入恒定15.8mA/cm2电流密度时，分解率可达95.78%，电流效率可达93.4%，而能耗2.0643kWh/kg也相对较低；对于磷石膏分解液，在通电至电压明显升高时，随着电流密度的增大，硫酸钠分解率基本不变，但分解能耗上升，电流效率下降；随着通电时间变长，分解率先上升后基本不变，而能耗上升，电流效率下降，说明企业在生产中应以尽量小的电流密度电渗析磷石膏分解液，以降低生产成本。对比两者的电渗析结果，发现磷石膏分解液中的杂质以及其他离子会对电渗析过程造成负面影响，需在电渗析前进行预处理。
　　4、对双极膜电渗析后碱室和酸室溶液循环利用的途径和可行性进行了分析，并对其经济性进行了估算。碱室、酸室溶液可分别回用于分解磷石膏和生产湿法磷酸，但是其浓度均低于生产的要求，需预处理达到生产所需的浓度后方能投入使用；通过经济性估算得出该法暂不具备经济性效益的结论，但是随着国家对环保需求的增长，该法具有良好的发展前景。
　　5、对电渗析传质过程及离子在双极膜内的传递过程进行了理论分析。得出影响传质过程的主要因素为浓度差与电势差，简化后得出传质速率方程；根据双极膜水解离机理及膜内传质过程得出产生酸碱量的计算公式，以及产碱浓度随时间变化的方程，该方程表明传质速率随工作电流的增加而增加，随碱室内溶液浓度增大而减小。
　　双极膜电渗析法循环利用磷石膏工艺具有节能减排、绿色环保的特点，有效地分解了磷石膏并将硫酸钠转化为氢氧化钠和硫酸，循环利用于湿法磷酸生产和磷石膏分解过程中，解决了磷石膏综合利用的成本及产品销路问题，具有较好的发展前景。

目录

声明

第1章 文献综述

1.1 磷石膏的综合利用

1.2 双极膜电渗析技术

1.3 课题的工艺流程、来源、目的及其可行性

1.4 课题的内容与意义

第2章 从磷石膏中制备可溶性硫酸盐溶液

2.1 实验原理与方法

2.2 实验结果与讨论

2.3 本章小结

第3章 双极膜电渗析分解硫酸钠溶液

3.1 实验原理与方法

3.2 实验结果与讨论

3.3 建议工艺流程

3.4 本章小结

第4章 产物的循环利用及经济性估算

4.1 产物的循环利用

4.2 经济性估算

4.3 本章小结

第5章 双极膜电渗析过程的传质数学模型

5.1 电渗析基本传质方程

5.2 离子在双极膜内的传质方程

5.3 可确定传质变化趋势的简化模型

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 结论

6.2 建议

参考文献

攻读硕士期间已发表的论文

致谢