专利名称：磷酸净化装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种净化磷酸的装置，具体涉及一种利用离子交换膜制备磷酸的磷酸净化装置。
背景技术：
目前，磷酸的制备方法主要有湿法和热法两种，由于湿法磷酸杂质含量过高，因此 大部分只能用来制造磷肥等低级磷酸盐产品，食品级和电子级磷酸及精细磷酸盐产品主要 由热法酸制备，但是与湿法酸相比，热法酸能耗较大，生产成本较高，因此科研工作者尝试 用各种方法来净化湿法磷酸，并以此为原料来生产低成本的精细磷酸盐产品。目前湿法磷 酸的净化方法主要有结晶法、离子交换法、化学沉淀法、溶剂萃取法等。结晶法由于需要浓 缩到较高的浓度，在防腐材质选择上存在问题，并且因为结晶夹带，该法难于得到高纯度的 酸，且结晶产品收率低；离子交换法工艺设备虽然比较简单，但离子交换树脂价格昂贵，从 树脂出来的磷酸浓度低，蒸发量太大，能耗太高不适合大规模生产，且一次性投资大；化学 沉淀法可除去部分阳离子或阴离子，但净化深度不高，且又引入另一种离子；溶剂萃取法可 以在较低温度下制取高质量的产品，但磷回收率低，有机溶剂的价格昂贵，存在火灾及爆炸 的安全隐患，且工艺流程较长，对环境的污染较大。电渗析技术是膜分离技术的一种，将阴、阳离子交换膜及正负电极按一定的顺序 组装，并用特制的隔板将其隔开，组成除盐(淡化)和浓缩两个系统，在直流电场中，存在电 位差及浓度差的共同作用力，并且利用离子交换膜的选择透过性，将磷酸与杂质分离开来， 从而实现磷酸溶液的精制和提纯。电渗析的特点是能耗低，生产条件温和，工艺简单，净化 效率相对较高，原料利用率高及得到产品质量好。各国学者对电渗析净化做过一些研究，如 沈阳化工学院的刘德辉对电渗析提纯磷酸进行了探索性研究；阿尔及利亚D. T0UAIBIA的 两室ED研究；突尼斯EDI探索研究；日本专利JP51106696和JP53096994的三室电渗析工 艺，相对来说日本专利所述的三室电渗析工艺的有其优越之处日本专利JP51106696 (1976年)中，如图1所示，提纯磷酸所使用的电渗析装置Ia 由阴极室8a、中间室6a、以及阳极室7a组成。其阴极室8a被阴离子交换膜5a隔离且内部 安装有阴极3a，即阴离子交换膜5a靠近阴极3a—侧，中间室6a被阴离子交换膜5a和阳离 子交换膜4a隔离，阳极室7a被阳离子交换膜4a隔离且内部安装阳极2a，即阳离子交换膜 4a靠近阳极2a —侧，形成阳极2a、阳离子交换膜4a、阴离子交换膜5a、阴极3a在电渗析装 置Ia顺序布置。工艺过程中，向电槽的中间室6a中加入比绿酸(待纯化磷酸)纯度高的 纯稀磷酸，在阴极室8a里加入绿酸，在阳极室7a里加入酸溶液进行电解透析。图1是该日 本专利所使用的一电槽(单位槽)的纵向剖面图，图2是用于日本专利的方法中多个单位 槽连接而成的电槽的纵向剖面图。通常，原料绿酸浓度比纯稀磷酸浓度高，供至阴极室8a的绿酸，以P2O5为基准，通 常使用浓度为10 55% (P2O5质量分数)的原料。加至中间室6a的稀磷酸浓度最好在 1 40% (P2O5质量分数)内。加至阳极室7a的酸溶液指的是纯稀硫酸溶液，浓度一般为50 500g/L，最好为160 180g/L。经过几个小时的电渗析处理，可获得纯度较高的磷酸。 电渗析温度控制在20 60°C的温度范围，膜的电流密度控制在1 30A/dm3的范围内。此电渗析工艺的原理是在浓度梯度及电场力的同向作用下，阴极室8a中的磷酸 根等阴离子选择性的通过阴离子交换膜5a进入到中间室6a，同时阳极室7a的氢离子等阳 离子选择性的通过阳离子交换膜4a进入到中间室6a，从而在中间室6a得到较纯的磷酸。此工艺的缺点也是明显的，按本工艺原理分析可以知道，工艺中要求使用膜对离 子的选择性要非常高，即理想中的阳离子交换膜只允许氢离子通过，阴离子交换膜只允许 磷酸根通过，这与膜技术的现实不符合。实际情况是杂质同样会在浓度差及电场力的推动 下较多量的进入到中间室6a，特别是阴离子的去除率不高，使得产品酸的质量不高。日本专利JP53096994(1978年)中的三室电渗析工艺与日本专利JP51106696在 机理上是一样的，只是加入阳极室的酸液及装置的连接方式略有不同。图3是描述此日本 专利中使用的电透析装置的一个纵剖面图。如图3所示，将绿酸加至14b、15b、17b绿酸室 以及12b阴极室，将纯磷酸的稀溶液加至13b、16b、18b提纯室(即前述中的中间室)。并 且把同浓度的纯磷酸稀溶液或不含杂质的稀硫酸加至1%阳极室，将阴阳两极接上直流电 源，通电，绿酸中的磷酸根离子通过3b、5b、7b、9b阴离子交换树脂膜，移动到13b、16b、18b 提纯室，另一方面，绿酸中的氢离子通过4b、6b、8b、10b阳离子交换树脂膜移动到13b、16b、 18b提纯室，于是，在13b、16b、18b号提纯室中便得到精制磷酸。两者在净化机理是一样的，所以日本专利JP53096994仍然存在所得产品酸的纯 度不高的缺陷(特别是阴离子杂质含量高)，只能得到相当于工业级磷酸的产品。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可得到高纯度磷酸的磷酸净化装置。本发明解决其技术问题所采用的技术方案是磷酸净化装置，在电渗析装置内设 置有阳极与阴极，在阳极与阴极之间设置有阳离子交换膜与阴离子交换膜，阳离子交换膜 与阴离子交换膜之间形成中间室，所述阳离子交换膜靠近阴极，阳离子交换膜与阴极之间 形成阴极室，阴离子交换膜靠近阳极，阴离子交换膜与阳极之间形成阳极室。作为优选方案，所述中间室、阳极室与阴极室分别具有多个。作为优选方案，所述阴离子交换膜为聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚醚或者含氟高 聚物均相离子交换膜；所述阳离子交换膜为聚乙烯均相离子交换膜，磺酸膜或者全氟磺酸 膜。本发明的有益效果是阴极室的阳离子穿过阳离子交换膜及阳极室的阴离子穿过阴膜向中间室扩散时，受到电场阻力作用，选择适当的电流密度，将增加磷酸与杂质的分离 度；同时，本发明中的电极反应对磷酸的净化是有很大贡献的，工艺中同时存在电极反应脱 除杂质，可明显减少进入到中间室的杂质量；而日本专利中尽管也存在电极反应，但是对净 化没有贡献，因此本工艺的净化效果更好，能以湿法酸为原料生产出食品级标准磷酸，而日 本专利中的方法显然不能；在直流电场的下进行电渗析，通过电场引力、浓度差和阴、阳离 子膜选择透过性的作用使磷酸与杂质的分离，在中间室得到净化磷酸工艺简单，生产条件 温和，易于操作控制；对设备材质要求不高，产品不易被二次污染，所得产品质量较好；以 湿法磷酸为原料，原料磷酸易得，价格低廉；整个装置投资低，设备易于加工制作；同一装置可制备多种级别产品；无三废排出，为清洁生产工艺，尤其适合在食品级磷酸的制备中推 广应用。
图1为日本专利JP51106696所使用的一电槽(单位槽)的纵向剖面图；图2为用于日本专利JP51106696中多个单位槽连接而成的电槽的纵向剖面图，图 1与图2中的标记电渗析装置la、阳极2a、阴极3a、阳离子交换膜4a、阴离子交换膜5a、中 间室6a、阳极室7a、阴极室8a ；图3为JP53096994日本专利中使用的电透析装置的一个纵剖面图；图中标记电 渗析装置lb，阴极2b，阴离子交换树脂膜3b、5b、7b与％，阳离子交换树脂膜4b、6b、8b与 10b，阳极11b，阴极室12b，提纯室13b、16b与18b，绿酸室14b、15b与17b，阳极室19b ；图4为本发明中电渗析装置的剖面图；图5为本发明中具有多个中间室、阳极室与阴极室的示意图，图4与图5中标记 为电渗析装置1、阳极2、阴极3、阳离子交换膜4、阴离子交换膜5、中间室6、阳极室7、阴 极室8。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。 如图4与图5所示，本发明的待处理磷酸净化装置，包括电渗析装置1，在电渗析装 置1内设置有阳极2与阴极3，在阳极2与阴极3之间设置有阳离子交换膜4与阴离子交换 膜5，阳离子交换膜4与阴离子交换膜5之间形成中间室6，所述阳离子交换膜4靠近阴极 3，阳离子交换膜4与阴极3之间形成阴极室8，阴离子交换膜5靠近阳极2，阴离子交换膜 5与阳极2之间形成阳极室7。即阳极2、阴离子交换膜5、阳离子交换膜4与阴极3在电渗 析装置1内顺序布置，在工艺实施过程中，向电渗析装置1的阳极室7内加入待处理磷酸溶 液，在阴极室8内加入酸溶液，在中间室6内加入超纯水或稀磷酸。阳极2和阴极3通经整 流后的直流电形成正、负极电场，在直流电场的下进行电渗析。通过阴离子交换膜5、阳离子 交换膜4的选择透过性作用；电场引力的作用；浓度梯度的作用下使磷酸与杂质的分离，在 中间室6中得到净化磷酸。其原理为1、当在直流电场的下进行电渗析时，由于电场引力的作用，阳极室7中的阳极2对待处理磷酸中的阴离子形成一种吸引力，阻止其穿过阴离子交换膜5迁移至中间室6。同 样，在阴极室8中的阴极3对酸溶液中的阳离子形成一种吸引力，阻止其穿过阳离子交换膜 4迁移至中间室6。2、利用阴离子交换膜5、阳离子交换膜4对溶液中阴、阳离子的选择透过性(即阳 膜只允许阳离子通过，阴膜只允许阴离子通过)，从而可以使阴离子交换膜5阻止阳极室7 中的阳离子杂质透过，阳离子交换膜4阻止阴极室8中的阴离子杂质透过，避免杂质阴、阳 离子进入中间室6而污染产品。3、同时，由于阴离子交换膜5、阳离子交换膜4两侧溶液浓度不同，在浓度差作用 下，电解质由阳极室7，阴极室8向中间室6扩散，扩散速度随浓度差的增高而增长。相比较而言，阳极室7中的磷酸根离子与其在中间室6中的浓度差远远大于其它阴离子杂质与其 在中间室6的浓度差，在浓差扩散作用下，磷酸根离子更容易透过阴离子交换膜5迁移至中 间室6 ；同理，阴极室8中的氢根离子与其在中间室6中的浓度差远远大于其它阳离子与其 在中间室6中的浓度差，氢根离子更容易透过阳离子交换膜4迁移至中间室6，从而在中间 室6中得到产品净化磷酸。4、此外，在直流电场的下进行电渗析时，发生如下电极反应阳极2Cr—Cl2 +2e阴极:2H20+2e — H2 +20F ；Fe3++3e — FeCl—在阳极2上发生电极反应，使得阳极室7中的Cl—含量大大减少，从而进入到 中间室6中的Cl—杂质更少；而在阴极室8中的部分铁离子等阳离子杂质会在阴极3上被 还原析出得以除去，使得从阴极室8中通过阳离子交换膜4 进入到中间室6中的阳离子杂 质更少。在以上实施方式中，为了提高电渗析装置1内提纯净化磷酸的量，所述中间室6、 阳极室7与阴极室8分别具有多个。为提高对阴阳离子的选择透过性，所述阴离子交换膜5为聚乙烯，聚丙烯，聚氯乙 烯，聚醚或者含氟高聚物均相离子交换膜；所述阳离子交换膜4为聚乙烯均相离子交换膜， 磺酸膜或者全氟磺酸膜。另外，以上实施方式中所指的阳极2和阴极3最好采用过渡金属材料，或包含任一 种材料的复合材料，且阳极2和阴极3最好采用板状结构。在具体实施过程中，随着电渗析过程的进行，阴阳极室或中间室的料液的温度会 升高，导致膜受损，影响膜的寿命。因此，需要将料液导出至外部热交换装置进行降温处理。 为了连续进行生产，可以在电渗析过程中，将各室料液连续导出至外部热交换装置，同时， 冷液连续回流，达到连续生产的目的。
权利要求
磷酸净化装置，包括电渗析装置(1)，在电渗析装置(1)内设置有阳极(2)与阴极(3)，在阳极(2)与阴极(3)之间设置有阳离子交换膜(4)与阴离子交换膜(5)，阳离子交换膜(4)与阴离子交换膜(5)之间形成中间室(6)，其特征是所述阳离子交换膜(4)靠近阴极(3)，阳离子交换膜(4)与阴极(3)之间形成阴极室(8)，阴离子交换膜(5)靠近阳极(2)，阴离子交换膜(5)与阳极(2)之间形成阳极室(7)。
2.如权利要求1所述的磷酸净化装置，其特征是所述中间室(6)、阳极室(7)与阴极 室(8)分别具有多个。
3.如权利要求1或2所述的磷酸净化装置，其特征是所述阴离子交换膜(5)为聚乙 烯，聚丙烯，聚氯乙烯，聚醚或者含氟高聚物均相离子交换膜；所述阳离子交换膜(4)为聚 乙烯均相离子交换膜，磺酸膜或者全氟磺酸膜。
全文摘要
本发明公开了一种利用离子交换膜净化磷酸的磷酸净化装置，该装置能得到高纯度的磷酸。该磷酸净化装置，包括电渗析装置，在电渗析装置内设置有阳极与阴极，在阳极与阴极之间设置有阳离子交换膜与阴离子交换膜，阳离子交换膜与阴离子交换膜之间形成中间室，所述阳离子交换膜靠近阴极，阳离子交换膜与阴极之间形成阴极室，阴离子交换膜靠近阳极，阴离子交换膜与阳极之间形成阳极室。即将阳极、阴离子交换膜、阳离子交换膜与阴极在电渗析装置内顺序布置，使得该装置在透过阴阳离子的同时，能有效去除阴阳离子杂质，提高对磷酸的提纯效果，适合在食品级磷酸的制备中推广应用。
文档编号C01B25/234GK101817513SQ201010160699
公开日2010年9月1日 申请日期2010年4月30日 优先权日2010年4月30日
发明者唐文军, 李光明, 李进, 袁海斌, 邹建 申请人:四川川恒化工股份有限公司