磷石膏通过双极膜电渗析法制备硫酸的工艺及机理研究

发布时间：2017-09-18 06:27

  本文关键词：磷石膏通过双极膜电渗析法制备硫酸的工艺及机理研究

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【摘要】：磷石膏是我国副产石膏中数量最多的,其产量几乎可以与我国天然石膏的年产量相比,也是化学工业中排放量最大的固体废弃物之一。磷石膏是磷化工领域的主要固体废弃物,每生产1吨的湿法磷酸(以P2O5计),就会大约产生4~5 t左右的磷石膏(CaSO4·2H2O)。统计结果显示,2011年我国副产磷石膏在5000万t左右,磷石膏的累积量已超过3亿t。虽然人们对磷石膏的综合应用做了大量研究,但磷石膏的利用率仍很低。因为传统的工艺用石膏制硫酸的工艺复杂,设备投资大,耗能高,工艺过程中又产生严重的二次污染,一直难以推广使用。企业及科研工作者关注的焦点是如何充分并且合理地利用国内资源,生产投资少、低能耗、低成本、无环境污染的高品质硫酸。双极膜电渗析技术(BMED)是利用直流电场作用下双极膜界面层内发生水解离生成H+和OH-这一电化学特性,将双极膜与其他阴阳离子交换膜组合将水溶液中的盐转化为对应的酸和碱。该方法已广泛应用于清洁生产酸碱、处理化工废水等领域。为有效利用磷石膏资源,本文寻求新的方式,在双极膜电渗析技术基础上,研究磷石膏制备硫酸的影响因素及规律,为实现硫元素在湿法磷酸生产过程中的循环利用打下基础。而双极膜电渗析技术操作简单、能耗低、污染少、费用低等优点,是一条高效利用磷石膏,促进磷化工可持续发展的有益探索之路。本论文采用双极膜电渗析法应用于磷石膏制备硫酸,考察单因素试验中操作电压、物料质量浓度、电渗析时间对各评价指标的影响,考察影响硫酸浓度的因素,并研究其机理。主要研究工作及成果有:(1)分别考察了操作电压、物料质量浓度、电渗析时间对各评价指标的影响。结果表明:在改变操作电压时,一定范围内,硫酸浓度和能耗均随操作电压的增大而增大;改变物料质量浓度时,电流效率随物料质量浓度的增大而减小,能耗随物料质量浓度的增大而增大,硫酸浓度随物料质量浓度增大先增大后减小;改变电渗析时间时,电流效率随电渗析时间的延长而减小,能耗随电渗析的延长而增大,硫酸浓度随电渗析时间的延长先增大后减小.(2)研究了操作电压、物料质量浓度及电渗析三因素四水平的正交试验,优选工艺条件。以硫酸浓度为评价指标,实验结果表明:料液浓度对实验结果影响最大,其次电渗析时间,次要因素为操作电压。因操作电压为次要因素,综合硫酸浓度和能耗、电流效率指标,优选工艺条件为料液浓度为13 g/L,电渗析时间为150 min,操作电压15V。得到硫酸浓度为0.075 mol/L,能耗为0.165kW·h/mol。(3)研究了影响硫酸浓度的因素,通过间歇电渗析和连续电渗析处理磷石膏与硫酸钾的实验结果对比得出,结果显示,硫酸浓度大小与物料的溶解度有关。(4)研究了尝试通过向磷石膏料液中加入络合剂使之与钙离子络合、将磷石膏转化为半水石膏的手段来增大石膏的溶解度,电渗析处理经过滤得到的半水石膏的滤液,减少固体杂质对实验结果的影响。结果表明,料液中加入络合剂EDTA-2钠,得到的是混酸;将磷石膏转化为半水石膏,硫酸浓度有所改善;由于膜堆长时间使用,分离性能降低。
【关键词】：磷石膏 双极膜电渗析 硫酸 能耗 电流效率
【学位授予单位】：贵州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ111.16;TQ177.375
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-9
• 第一章 绪论9-22
• 1.1 引言9-10
• 1.2 双极膜电渗析技术10-18
• 1.2.1 电渗析技术10-11
• 1.2.2 电渗析的基本理论11-13
• 1.2.3 双极膜的结构及工作原理13-14
• 1.2.4 双极膜电渗析技术14-15
• 1.2.5 双极膜电渗析技术的应用15-16
• 1.2.6 双极膜电渗析处理物料过程中影响因素的研究16-18
• 1.3 磷石膏概况18-20
• 1.3.1 磷石膏18-20
• 1.3.2 半水石膏20
• 1.4 论文的选题意义,研究内容及工艺路线20-22
• 1.4.1 选题意义20-21
• 1.4.2 论文的研究内容21
• 1.4.3 论文的工艺路线21-22
• 第二章 实验材料与分析手段22-29
• 2.1 主要原料22-23
• 2.1.1 实验原材料22
• 2.1.2 实验药品22-23
• 2.2 实验装置和设备23-25
• 2.2.1 实验装置23-24
• 2.2.2 实验设备24-25
• 2.3 实验方法25-27
• 2.3.1 硫酸盐通过双极膜电渗析法制备酸和碱的方法25-27
• 2.4 各性能指标的分析与计算27-29
• 2.4.1 硫酸浓度分析27
• 2.4.2 磷石膏的转化率分析27
• 2.4.3 电导率分析27
• 2.4.4 电流效率分析27-28
• 2.4.5 能耗分析28
• 2.4.6 平均电流效率分析28-29
• 第三章 双极膜电渗析处理固体废弃物磷石膏的工艺研究及膜分离性能分析29-48
• 3.1 引言29
• 3.2 双极膜电渗析处理磷石膏的影响因素29-43
• 3.2.1 操作电压对膜分离过程性能指标的影响29-35
• 3.2.2 物料质量浓度对膜分离过程性能指标的影响35-39
• 3.2.3 电渗析时间对膜分离过程性能指标的影响39-43
• 3.3 操作电压、物料质量浓度、电渗析时间正交实验研究43-46
• 3.3.1 操作电压、物料质量浓度、电渗析时间正交实验设计43-45
• 3.3.2 正交实验结果分析45-46
• 3.3.3 实验制得的氢氧化钙的粒度分析46
• 3.4 本章小结46-48
• 第四章 探究双极膜电渗析处理磷石膏制得酸浓度水平原因及机理探究48-60
• 4.1 引言48
• 4.2 间歇电渗析法对硫酸浓度的影响48-49
• 4.3 连续电渗析法对硫酸浓度的影响49-51
• 4.4 双极膜电渗析处理磷石膏工艺优化51-55
• 4.4.1 加络合剂EDTA-2 钠对实验结果的影响51-52
• 4.4.2 磷石膏转化为半水石膏对实验结果的影响52-54
• 4.4.3 半水石膏过滤后溶液作料液对实验结果的影响54-55
• 4.5 双极膜电渗析处理磷石膏的机理研究55-58
• 4.6 本章小结58-60
• 第五章 结论与展望60-62
• 5.1 结论60
• 5.2 展望60-62
• 致谢62-63
• 参考文献63-66
• 附录66-67

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