磷铁渣制备磷酸铁的工艺研究

2021-11-02徐荣益李意能者加云

中国金属通报 2021年12期

徐荣益，李意能，者加云

（佛山市德方纳米科技有限公司，广东佛山 528000）

磷铁渣是黄磷生产过程中的一种副产物，原料来源广泛，价格便宜。磷铁渣可以用来制备磷酸铁、磷酸三钠、磷酸二钠等产品，也可以在钢铁工业中作为合金剂和脱浆剂使用[1-3]。磷酸铁是制备锂离子电池常用原料，制备工艺备受关注，磷酸铁的常用制备方法是以铁盐溶液和磷酸为原料通过液相沉淀法制备，用此方法制备磷酸铁工艺简单，所得产品纯度高、晶型好，但生产成本较高[4-6]。随着工业的发展，磷酸铁制备工艺不断被开发出来，如用磷铁矿石制备、以磷铁渣为原料制备等，相对于利用纯物质制备磷酸铁，用磷铁矿石、磷铁渣为原料制备磷酸铁具有原料来源广、成本低等特点。然而，用锂矿石和磷铁渣制备的磷酸铁往往纯度低，限制了其应用[7，8]。本文以磷铁渣为原料，用硝酸对其消解获得磷铁浸出液，再用P204进行纯化，获得高纯度磷铁液，通过沉淀法制备出高纯度磷酸铁。

1 主要仪器及试剂

烧杯、三口烧瓶、油浴锅、冷凝管、水循环式真空泵、真空烘箱，破碎机；磷铁渣、磷酸、硝酸、氨水、去离子水、P204、磺化煤油等。

2 实验方法与结果分析

2.1 实验过程

取一定磷铁渣，加入破碎机中进行破碎，破碎后的物料加硝酸进行消解获得磷铁浸出液，用萃取剂进行萃取除杂获得高纯度磷铁液，将磷铁液倒入三口烧瓶中，加入适量氨水，加热反应生成磷酸铁沉淀，过滤、洗涤、干燥沉淀得到高纯度的磷酸铁产品。

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 萃铁过程相比对P204萃铁率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索萃铁过程相比对P204萃铁率的影响。

从表1可以看出，不同的相比对P204萃铁率有较大的影响，随着油水比的增加，P204萃铁率先增大而后趋于不变。P204萃铁具有一个最大饱和度，当P204萃铁达到饱和时，将不再萃取溶液中的铁离子，因此油水比为0.5:1时，P204已饱和，但是溶液中仍然存在一定的铁离子，导致P204对溶液中铁的萃取率较低，随着油水比增大，有机相中P204增多，可萃取铁含量增加，萃铁率不断增大；当油水比大于1:1以后， P204萃取率基本不变，因此相比为1:1较为合适。

表1 相比对P204萃铁率的影响

2.2.2 萃取时间对P204萃铁率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索萃取时间对P204萃铁率的影响。

从表2可以看出，萃取时间对P204萃铁率有一定影响，P204萃铁率随萃取时间增大先增大后趋于不变，P204萃铁是一个缓慢进行的过程，萃取时间短，P204萃取的铁较少，萃取率较低，随着萃取时间增加，P204萃取的铁含量增加，萃取率增大，当萃取时间大于6min以后，萃取剂已基本饱和，很难再继续萃取溶液中铁离子，萃取率基本不变，从提高萃取效率方面考虑，萃取时间为6min较为合适。

表2 萃取时间对P204萃铁率的影响

2.2.3 反萃液磷含量对P204反萃效率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索反萃液磷含量对P204反萃效率的影响。

从表3可以看出，反萃液磷含量对P204反萃效率有一定影响，随着反萃液磷含量的增大，P204反萃效率先增大而后趋于不变。P204反萃是P204与溶液中磷酸根相互争夺铁离子过程，适当增大反萃液中磷含量，可以增强磷酸根与铁离子作用力，有利于P204反萃，因此，随着反萃液中磷含量增加，P204反萃效率变高，当反萃液中磷含量增大至7%以后，P204反萃效率增加缓慢，反萃液中的磷含量为7%较为合适。

表3 反萃液磷含量对P204反萃效率的影响。

2.2.4 除杂过程的相比对P204除杂效率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索除杂过程的相比对P204除杂效率的影响。

从表4可以看出，除杂过程的相比对P204除杂效率有较大的影响，P204除杂效率随油水相比的增大先增大而后趋于不变。P204对杂质的萃取同样具有一定饱和度，增大有机相用量，间接增加了P204萃取剂用量，被P204萃取的杂质离子增多，除杂效率增大，当油水比大于1:1以后，再继续增大有机相用量，P204除杂效率增加较少，且容易造成有机相浪费，除杂过程的相比Vo:Va为1:1较为合适。

表4 除杂过程的相比对P204除杂效率的影响

2.2.5 萃取时间对P204除杂效率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索萃取时间对P204除杂效率的影响。

从表5可以看出，萃取时间对P204除杂效率有一定影响，除杂效率随萃取时间增加先增大后趋于不变。当萃取时间小于6min时，P204萃取剂不断从溶液中萃取杂质离子，萃取率不断增大，当萃取时间大于6min以后，P2P4基本饱和，对杂质离子萃取效率变慢，P204萃取除杂过程的萃取时间以6min较为合适。

表5 萃取时间对P204除杂效率的影响

2.2.6 除杂过程反萃液硝酸浓度对P204反萃率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索除杂过程反萃液硝酸浓度对P204反萃率的影响。

从表6可以看出，除杂过程反萃液硝酸浓度对P204反萃率有一定影响，特别是硝酸浓度较低时，对P204反萃率影响较大。P204反萃过程是P204萃取剂和溶液中氢离子相互争夺杂质离子过程，溶液中硝酸含量增大，反萃液对杂质离子结合力增强，利于P204中杂质离子被反萃下来，当溶液中硝酸浓度大于6%以后，再继续增大硝酸含量，对提升P204反萃效率不明显，同时容易造成硝酸浪费，硝酸浓度为6%较合适。

表6 除杂过程反萃液硝酸浓度对P204反萃率的影响

2.2.7 磷酸铁制备过程中磷铁比对磷酸铁收率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索磷酸铁制备过程中磷铁比对磷酸铁收率的影响。

从表7可以看出，磷酸铁制备过程中磷铁比对磷酸铁收率有较大的影响，磷酸铁收率随磷铁比增大先增大后减小，磷铁比小于1.1:1时，溶液中铁离子未沉淀完全，随着磷酸根含量增大，生成的磷酸铁增多，磷酸铁收率增加，当磷铁比大于1.1:1以后，溶液pH降低，磷酸铁生成速率减慢，收率有所下降，磷铁比为1.1:1较为合适。

表7 磷酸铁制备过程中磷铁比对磷酸铁收率的影响

2.2.8 磷酸铁制备过程中溶液pH对磷酸铁收率的影响

在实验中，控制其它反应条件不变，探索磷酸铁制备过程中溶液pH对磷酸铁收率的影响。

从表8可以看出，磷酸铁制备过程中溶液pH对磷酸铁收率有一定的影响，磷酸铁收率随溶液pH增大先增大后减小，溶液pH小于1时，磷酸铁生成速率较慢，收率有所下降，随着溶液pH增加，磷酸铁生成速率加快，收率变高；当溶液pH大于1以后，部分磷酸铁开始向氢氧化铁转化，收率又开始下降，综合考虑，溶液pH为1较合适。