專利名稱：磷酸凈化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種凈化磷酸的裝置，具體涉及一種利用離子交換膜制備磷酸的磷酸凈化裝置。
背景技術：
目前，磷酸的制備方法主要有濕法和熱法兩種，由于濕法磷酸雜質(zhì)含量過高，因此 大部分只能用來制造磷肥等低級磷酸鹽產(chǎn)品，食品級和電子級磷酸及精細磷酸鹽產(chǎn)品主要 由熱法酸制備，但是與濕法酸相比，熱法酸能耗較大，生產(chǎn)成本較高，因此科研工作者嘗試 用各種方法來凈化濕法磷酸，并以此為原料來生產(chǎn)低成本的精細磷酸鹽產(chǎn)品。目前濕法磷 酸的凈化方法主要有結晶法、離子交換法、化學沉淀法、溶劑萃取法等。結晶法由于需要濃 縮到較高的濃度，在防腐材質(zhì)選擇上存在問題，并且因為結晶夾帶，該法難于得到高純度的 酸，且結晶產(chǎn)品收率低；離子交換法工藝設備雖然比較簡單，但離子交換樹脂價格昂貴，從 樹脂出來的磷酸濃度低，蒸發(fā)量太大，能耗太高不適合大規(guī)模生產(chǎn)，且一次性投資大；化學 沉淀法可除去部分陽離子或陰離子，但凈化深度不高，且又引入另一種離子；溶劑萃取法可 以在較低溫度下制取高質(zhì)量的產(chǎn)品，但磷回收率低，有機溶劑的價格昂貴，存在火災及爆炸 的安全隱患，且工藝流程較長，對環(huán)境的污染較大。電滲析技術是膜分離技術的一種，將陰、陽離子交換膜及正負電極按一定的順序 組裝，并用特制的隔板將其隔開，組成除鹽(淡化)和濃縮兩個系統(tǒng)，在直流電場中，存在電 位差及濃度差的共同作用力，并且利用離子交換膜的選擇透過性，將磷酸與雜質(zhì)分離開來， 從而實現(xiàn)磷酸溶液的精制和提純。電滲析的特點是能耗低，生產(chǎn)條件溫和，工藝簡單，凈化 效率相對較高，原料利用率高及得到產(chǎn)品質(zhì)量好。各國學者對電滲析凈化做過一些研究，如 沈陽化工學院的劉德輝對電滲析提純磷酸進行了探索性研究；阿爾及利亞D. T0UAIBIA的 兩室ED研究；突尼斯EDI探索研究；日本專利JP51106696和JP53096994的三室電滲析工 藝，相對來說日本專利所述的三室電滲析工藝的有其優(yōu)越之處日本專利JP51106696 (1976年)中，如圖1所示，提純磷酸所使用的電滲析裝置Ia 由陰極室8a、中間室6a、以及陽極室7a組成。其陰極室8a被陰離子交換膜5a隔離且內(nèi)部 安裝有陰極3a，即陰離子交換膜5a靠近陰極3a—側，中間室6a被陰離子交換膜5a和陽離 子交換膜4a隔離，陽極室7a被陽離子交換膜4a隔離且內(nèi)部安裝陽極2a，即陽離子交換膜 4a靠近陽極2a —側，形成陽極2a、陽離子交換膜4a、陰離子交換膜5a、陰極3a在電滲析裝 置Ia順序布置。工藝過程中，向電槽的中間室6a中加入比綠酸(待純化磷酸)純度高的 純稀磷酸，在陰極室8a里加入綠酸，在陽極室7a里加入酸溶液進行電解透析。圖1是該日 本專利所使用的一電槽(單位槽)的縱向剖面圖，圖2是用于日本專利的方法中多個單位 槽連接而成的電槽的縱向剖面圖。通常，原料綠酸濃度比純稀磷酸濃度高，供至陰極室8a的綠酸，以P2O5為基準，通 常使用濃度為10 55% (P2O5質(zhì)量分數(shù))的原料。加至中間室6a的稀磷酸濃度最好在 1 40% (P2O5質(zhì)量分數(shù))內(nèi)。加至陽極室7a的酸溶液指的是純稀硫酸溶液，濃度一般為50 500g/L，最好為160 180g/L。經(jīng)過幾個小時的電滲析處理，可獲得純度較高的磷酸。 電滲析溫度控制在20 60°C的溫度范圍，膜的電流密度控制在1 30A/dm3的范圍內(nèi)。此電滲析工藝的原理是在濃度梯度及電場力的同向作用下，陰極室8a中的磷酸 根等陰離子選擇性的通過陰離子交換膜5a進入到中間室6a，同時陽極室7a的氫離子等陽 離子選擇性的通過陽離子交換膜4a進入到中間室6a，從而在中間室6a得到較純的磷酸。此工藝的缺點也是明顯的，按本工藝原理分析可以知道，工藝中要求使用膜對離 子的選擇性要非常高，即理想中的陽離子交換膜只允許氫離子通過，陰離子交換膜只允許 磷酸根通過，這與膜技術的現(xiàn)實不符合。實際情況是雜質(zhì)同樣會在濃度差及電場力的推動 下較多量的進入到中間室6a，特別是陰離子的去除率不高，使得產(chǎn)品酸的質(zhì)量不高。日本專利JP53096994(1978年)中的三室電滲析工藝與日本專利JP51106696在 機理上是一樣的，只是加入陽極室的酸液及裝置的連接方式略有不同。圖3是描述此日本 專利中使用的電透析裝置的一個縱剖面圖。如圖3所示，將綠酸加至14b、15b、17b綠酸室 以及12b陰極室，將純磷酸的稀溶液加至13b、16b、18b提純室(即前述中的中間室)。并 且把同濃度的純磷酸稀溶液或不含雜質(zhì)的稀硫酸加至1%陽極室，將陰陽兩極接上直流電 源，通電，綠酸中的磷酸根離子通過3b、5b、7b、9b陰離子交換樹脂膜，移動到13b、16b、18b 提純室，另一方面，綠酸中的氫離子通過4b、6b、8b、10b陽離子交換樹脂膜移動到13b、16b、 18b提純室，于是，在13b、16b、18b號提純室中便得到精制磷酸。兩者在凈化機理是一樣的，所以日本專利JP53096994仍然存在所得產(chǎn)品酸的純 度不高的缺陷(特別是陰離子雜質(zhì)含量高)，只能得到相當于工業(yè)級磷酸的產(chǎn)品。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種可得到高純度磷酸的磷酸凈化裝置。本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是磷酸凈化裝置，在電滲析裝置內(nèi)設 置有陽極與陰極，在陽極與陰極之間設置有陽離子交換膜與陰離子交換膜，陽離子交換膜 與陰離子交換膜之間形成中間室，所述陽離子交換膜靠近陰極，陽離子交換膜與陰極之間 形成陰極室，陰離子交換膜靠近陽極，陰離子交換膜與陽極之間形成陽極室。作為優(yōu)選方案，所述中間室、陽極室與陰極室分別具有多個。作為優(yōu)選方案，所述陰離子交換膜為聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚醚或者含氟高 聚物均相離子交換膜；所述陽離子交換膜為聚乙烯均相離子交換膜，磺酸膜或者全氟磺酸 膜。本發(fā)明的有益效果是陰極室的陽離子穿過陽離子交換膜及陽極室的陰離子穿過陰膜向中間室擴散時，受到電場阻力作用，選擇適當?shù)碾娏髅芏?，將增加磷酸與雜質(zhì)的分離 度；同時，本發(fā)明中的電極反應對磷酸的凈化是有很大貢獻的，工藝中同時存在電極反應脫 除雜質(zhì)，可明顯減少進入到中間室的雜質(zhì)量；而日本專利中盡管也存在電極反應，但是對凈 化沒有貢獻，因此本工藝的凈化效果更好，能以濕法酸為原料生產(chǎn)出食品級標準磷酸，而日 本專利中的方法顯然不能；在直流電場的下進行電滲析，通過電場引力、濃度差和陰、陽離 子膜選擇透過性的作用使磷酸與雜質(zhì)的分離，在中間室得到凈化磷酸工藝簡單，生產(chǎn)條件 溫和，易于操作控制；對設備材質(zhì)要求不高，產(chǎn)品不易被二次污染，所得產(chǎn)品質(zhì)量較好；以 濕法磷酸為原料，原料磷酸易得，價格低廉；整個裝置投資低，設備易于加工制作；同一裝置可制備多種級別產(chǎn)品；無三廢排出，為清潔生產(chǎn)工藝，尤其適合在食品級磷酸的制備中推 廣應用。


圖1為日本專利JP51106696所使用的一電槽(單位槽)的縱向剖面圖；圖2為用于日本專利JP51106696中多個單位槽連接而成的電槽的縱向剖面圖，圖 1與圖2中的標記電滲析裝置la、陽極2a、陰極3a、陽離子交換膜4a、陰離子交換膜5a、中 間室6a、陽極室7a、陰極室8a ；圖3為JP53096994日本專利中使用的電透析裝置的一個縱剖面圖；圖中標記電 滲析裝置lb，陰極2b，陰離子交換樹脂膜3b、5b、7b與％，陽離子交換樹脂膜4b、6b、8b與 10b，陽極11b，陰極室12b，提純室13b、16b與18b，綠酸室14b、15b與17b，陽極室19b ；圖4為本發(fā)明中電滲析裝置的剖面圖；圖5為本發(fā)明中具有多個中間室、陽極室與陰極室的示意圖，圖4與圖5中標記 為電滲析裝置1、陽極2、陰極3、陽離子交換膜4、陰離子交換膜5、中間室6、陽極室7、陰 極室8。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。 如圖4與圖5所示，本發(fā)明的待處理磷酸凈化裝置，包括電滲析裝置1，在電滲析裝 置1內(nèi)設置有陽極2與陰極3，在陽極2與陰極3之間設置有陽離子交換膜4與陰離子交換 膜5，陽離子交換膜4與陰離子交換膜5之間形成中間室6，所述陽離子交換膜4靠近陰極 3，陽離子交換膜4與陰極3之間形成陰極室8，陰離子交換膜5靠近陽極2，陰離子交換膜 5與陽極2之間形成陽極室7。即陽極2、陰離子交換膜5、陽離子交換膜4與陰極3在電滲 析裝置1內(nèi)順序布置，在工藝實施過程中，向電滲析裝置1的陽極室7內(nèi)加入待處理磷酸溶 液，在陰極室8內(nèi)加入酸溶液，在中間室6內(nèi)加入超純水或稀磷酸。陽極2和陰極3通經(jīng)整 流后的直流電形成正、負極電場，在直流電場的下進行電滲析。通過陰離子交換膜5、陽離子 交換膜4的選擇透過性作用；電場引力的作用；濃度梯度的作用下使磷酸與雜質(zhì)的分離，在 中間室6中得到凈化磷酸。其原理為1、當在直流電場的下進行電滲析時，由于電場引力的作用，陽極室7中的陽極2對待處理磷酸中的陰離子形成一種吸引力，阻止其穿過陰離子交換膜5遷移至中間室6。同 樣，在陰極室8中的陰極3對酸溶液中的陽離子形成一種吸引力，阻止其穿過陽離子交換膜 4遷移至中間室6。2、利用陰離子交換膜5、陽離子交換膜4對溶液中陰、陽離子的選擇透過性(即陽 膜只允許陽離子通過，陰膜只允許陰離子通過)，從而可以使陰離子交換膜5阻止陽極室7 中的陽離子雜質(zhì)透過，陽離子交換膜4阻止陰極室8中的陰離子雜質(zhì)透過，避免雜質(zhì)陰、陽 離子進入中間室6而污染產(chǎn)品。3、同時，由于陰離子交換膜5、陽離子交換膜4兩側溶液濃度不同，在濃度差作用 下，電解質(zhì)由陽極室7，陰極室8向中間室6擴散，擴散速度隨濃度差的增高而增長。相比較而言，陽極室7中的磷酸根離子與其在中間室6中的濃度差遠遠大于其它陰離子雜質(zhì)與其 在中間室6的濃度差，在濃差擴散作用下，磷酸根離子更容易透過陰離子交換膜5遷移至中 間室6 ；同理，陰極室8中的氫根離子與其在中間室6中的濃度差遠遠大于其它陽離子與其 在中間室6中的濃度差，氫根離子更容易透過陽離子交換膜4遷移至中間室6，從而在中間 室6中得到產(chǎn)品凈化磷酸。4、此外，在直流電場的下進行電滲析時，發(fā)生如下電極反應陽極2Cr—Cl2 +2e陰極:2H20+2e — H2 +20F ；Fe3++3e — FeCl—在陽極2上發(fā)生電極反應，使得陽極室7中的Cl—含量大大減少，從而進入到 中間室6中的Cl—雜質(zhì)更少；而在陰極室8中的部分鐵離子等陽離子雜質(zhì)會在陰極3上被 還原析出得以除去，使得從陰極室8中通過陽離子交換膜4 進入到中間室6中的陽離子雜 質(zhì)更少。在以上實施方式中，為了提高電滲析裝置1內(nèi)提純凈化磷酸的量，所述中間室6、 陽極室7與陰極室8分別具有多個。為提高對陰陽離子的選擇透過性，所述陰離子交換膜5為聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙 烯，聚醚或者含氟高聚物均相離子交換膜；所述陽離子交換膜4為聚乙烯均相離子交換膜， 磺酸膜或者全氟磺酸膜。另外，以上實施方式中所指的陽極2和陰極3最好采用過渡金屬材料，或包含任一 種材料的復合材料，且陽極2和陰極3最好采用板狀結構。在具體實施過程中，隨著電滲析過程的進行，陰陽極室或中間室的料液的溫度會 升高，導致膜受損，影響膜的壽命。因此，需要將料液導出至外部熱交換裝置進行降溫處理。 為了連續(xù)進行生產(chǎn)，可以在電滲析過程中，將各室料液連續(xù)導出至外部熱交換裝置，同時， 冷液連續(xù)回流，達到連續(xù)生產(chǎn)的目的。
權利要求
磷酸凈化裝置，包括電滲析裝置(1)，在電滲析裝置(1)內(nèi)設置有陽極(2)與陰極(3)，在陽極(2)與陰極(3)之間設置有陽離子交換膜(4)與陰離子交換膜(5)，陽離子交換膜(4)與陰離子交換膜(5)之間形成中間室(6)，其特征是所述陽離子交換膜(4)靠近陰極(3)，陽離子交換膜(4)與陰極(3)之間形成陰極室(8)，陰離子交換膜(5)靠近陽極(2)，陰離子交換膜(5)與陽極(2)之間形成陽極室(7)。
2.如權利要求1所述的磷酸凈化裝置，其特征是所述中間室(6)、陽極室(7)與陰極 室(8)分別具有多個。
3.如權利要求1或2所述的磷酸凈化裝置，其特征是所述陰離子交換膜(5)為聚乙 烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚醚或者含氟高聚物均相離子交換膜；所述陽離子交換膜(4)為聚 乙烯均相離子交換膜，磺酸膜或者全氟磺酸膜。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用離子交換膜凈化磷酸的磷酸凈化裝置，該裝置能得到高純度的磷酸。該磷酸凈化裝置，包括電滲析裝置，在電滲析裝置內(nèi)設置有陽極與陰極，在陽極與陰極之間設置有陽離子交換膜與陰離子交換膜，陽離子交換膜與陰離子交換膜之間形成中間室，所述陽離子交換膜靠近陰極，陽離子交換膜與陰極之間形成陰極室，陰離子交換膜靠近陽極，陰離子交換膜與陽極之間形成陽極室。即將陽極、陰離子交換膜、陽離子交換膜與陰極在電滲析裝置內(nèi)順序布置，使得該裝置在透過陰陽離子的同時，能有效去除陰陽離子雜質(zhì)，提高對磷酸的提純效果，適合在食品級磷酸的制備中推廣應用。
文檔編號C01B25/234GK101817513SQ201010160699
公開日2010年9月1日 申請日期2010年4月30日 優(yōu)先權日2010年4月30日
發(fā)明者唐文軍, 李光明, 李進, 袁海斌, 鄒建 申請人:四川川恒化工股份有限公司