张文凯，龚元琳，高凯歌

（宜宾学院 材料与化学工程学部，四川 宜宾 644000）

0 前言

磷酸是一种常用的化工试剂，是冶金、化工、石油、食品等行业的重要原料。磷酸的工业化生产方法主要有热法和湿法两种。与热法磷酸工艺相比，湿法磷酸工艺由于生产成本低、能耗低的优势而成为磷酸生产的主流方法［1］。但是湿法磷酸生产工艺导致磷酸产品杂质含量较高，影响后续高附加值产品的加工。尤其是磷酸产品中铁离子的存在会显著降低磷酸品质和价格；在生产磷肥时，杂质铁离子会与磷酸反应生成一种难溶性的磷酸盐，该磷酸盐无法被植物吸收，造成有效磷的退化。综上所述，杂质铁离子的存在会严重影响磷酸和磷酸盐产品的品质，限制其使用范围，因此必须对湿法磷酸进行净化除铁处理。

根据湿法磷酸中铁的存在形态，可以采用沉淀法、吸附法、离子交换法、乳化液膜法、溶剂萃取法等［2-3］脱除湿法磷酸中的铁。相较于其他方法，溶剂萃取法因具有生产能力大、生产工艺相对简单、生产过程容易实现自动化与连续化等优势［4］而得到众多研究者的青睐。孙思修等［5］探究了单烷基磷酸酯（P538）萃取剂对煤油-硝酸盐中铁离子的萃取效果，发现随着体系pH降低，铁离子的萃取率降低，但在较低pH下铁离子的萃取率仍可达50%以上，说明P538对酸性体系中的铁离子有较好的萃取效果。二-（2-乙基己基）磷酸酯（P204）作为一种典型的酸性磷类萃取剂，因磷羟基中氧原子与氢原子电荷密度相差较大，氧原子电荷较集中，金属离子更容易与氢离子发生阳离子交换反应，进而有效提高金属离子的萃取率。P204对金属离子有较强的萃取能力，但研究发现其对金属阳离子的选择性较差［6］，所以P204常与其他溶剂协同萃取体系中的金属离子［7-10］。为了进一步提升湿法磷酸中铁离子的萃取效率，降低生产成本，采用P204与P538混合协同萃取磷酸体系中的Fe3+，并讨论萃取时间、萃取剂浓度、萃取相比、萃取温度等对Fe3+萃取率的影响。该研究对于净化湿法磷酸，进而生产高品质磷酸盐具有重要意义。

1 实验部分

1.1 原料和试剂

二-（2-乙基己基）磷酸酯、单烷基磷酸酯、磺化煤油、邻菲啰啉、盐酸羟胺、醋酸、醋酸钠、硫酸铁铵、硫酸、磷酸、抗坏血酸，均为分析纯；所用水皆为二级水。

1.2 仪器和设备

分液漏斗，恒温水浴锅，紫外分光光度计，分析天平。

1.3 实验方法

将经过磺化煤油稀释的P204-P538萃取剂与含铁离子的模拟湿法磷酸溶液按一定体积比混合于锥形瓶中，放置于固定温度的恒温水浴锅中，开启搅拌，萃取相应时间后用分液漏斗将两相分离，分别测量各相体积，并用邻菲啰啉比色法测定水相中的Fe3+浓度［11］。铁离子萃取率按式（1）进行计算。

其中Es为萃取率，c1、c2分别为萃取前后水相磷酸中Fe3+的浓度，V1、V2分别为萃取前后水相磷酸体积。

2 结果与讨论

2.1 萃取时间对萃取效果的影响

按照P204与P538体积比为1∶1配制2.0 mol/L P204-P538混合溶液作为萃取剂，对Fe3+浓度为0.03 mol/L的模拟湿法磷酸溶液进行萃取，固定萃取温度为25℃、萃取相比O/A（体积比）为2∶1，研究萃取时间对Fe3+萃取效果的影响，结果如图1所示。

由图1可以看出，萃取剂P204-P538混合溶液对Fe3+的萃取率随萃取时间的延长而升高；当萃取时间大于25 min后萃取率升高趋势不明显。这可能是由于随着萃取时间的继续延长，能够与Fe3+结合的P204-P538混合溶液分子数减少，萃取推动力减小，Fe3+由水相转移至有机相速度变慢，萃取率升高速度变慢。因此，采用萃取时间为25 min进行后续实验研究。

2.2 萃取剂浓度对萃取效果的影响

以Fe3+浓度为0.03 mol/L的模拟湿法磷酸溶液为萃取对象，固定萃取温度为25℃、萃取相比O/A为2∶1、萃取时间为25 min，考察P204-P538混合溶液（P204与P538体积比为1∶1）浓度对Fe3+萃取效果的影响，结果如图2所示。

图2 萃取剂P204-P538浓度对Fe3+萃取效果的影响

由图2可以看出，萃取剂P204-P538浓度对Fe3+萃取效果影响显著，增大萃取剂P204-P538浓度能有效提高Fe3+萃取率。当萃取剂浓度达到2.0 mol/L时，Fe3+的萃取率可达91%。但是，当萃取剂P204-P538浓度高于2.0 mol/L时，Fe3+萃取率升高趋势不明显。故本实验选择2.0 mol/L P204-P538混合溶液作为萃取剂进行后续实验研究。

2.3 萃取相比对萃取效果的影响

以2.0 mol/L P204-P538混合溶液（P204与P538体积比为1∶1）为萃取剂，以Fe3+浓度为0.03 mol/L的模拟湿法磷酸溶液为萃取对象，在萃取温度为25℃、萃取时间为25 min条件下，考察萃取相比对Fe3+萃取效果的影响，结果如图3所示。

图3 萃取相比对Fe3+萃取效果的影响

由图3可以看出，随着萃取相比O/A的升高，Fe3+萃取率不断升高，在萃取相比为2∶1时萃取率达到了91%，当萃取相比大于2∶1时，继续增大相比对Fe3+的萃取率影响不大。萃取相比过高容易造成分相速度变慢、萃取剂利用率下降。综合考虑，萃取相比O/A为2∶1较为合适。

2.4 萃取温度对萃取效果的影响

以2.0 mol/L P204-P538混合溶液（P204与P538体积比为1∶1）为萃取剂，以Fe3+浓度为0.03 mol/L的模拟湿法磷酸溶液为萃取对象，在萃取相比O/A为2∶1、萃取时间为25 min条件下，研究萃取温度对Fe3+萃取效果的影响，结果见图4。由图4可知，随着萃取温度升高，Fe3+萃取率不断降低，降温对Fe3+的萃取率有一定提高，说明该萃取过程属于放热过程。但温度过低容易造成有机相黏度增大，且会加大萃取动力消耗。综合考虑，萃取温度选择室温较为合适。

图4 萃取温度对Fe3+萃取效果的影响

2.5 小结

综上，P204-P538作为萃取剂对湿法磷酸中Fe3+进行协同萃取时，当萃取温度为25℃、萃取时间为25 min、萃取剂浓度为2.0 mol/L、萃取相比O/A为2∶1时，Fe3+的单级萃取率最高可达91%。而在此实验条件下单独使用P204、P538对湿法磷酸中Fe3+进行萃取时，萃取率分别仅为78%、76%。说明P204-P538对湿法磷酸中Fe3+的萃取有正协同效应。

3 结论

P204-P538协同萃取体系对湿法磷酸中Fe3+的萃取有正协同效应，通过单因素实验分析得出最佳工艺条件为萃取温度25℃、萃取时间25 min、萃取剂浓度2.0 mol/L、萃取相比2∶1，在此条件下，Fe3+的一级萃取率为91%，比同条件下单独萃取剂P204、P538的萃取率提高了约20%。说明协同萃取剂在净化湿法磷酸方面具有较好的应用前景。