专利名称：从元素磷中回收锑的方法
技术领域：
本发明涉及从元素磷中去除重金属。更具体地说，本发明涉及锑的去除。
背景技术：
元素磷中含有以ppm计的例如铁、砷、铬、锌和锑等金属。这些金属在磷中的含量取决于从中制磷的磷矿来源，在一定程度上还取决于用于制造和提纯元素磷的总体工艺。从经济上讲，锑是这些金属中最难去除的。由于高含量的锑使得磷无法用于食品和电子产品类应用，所以在这方面的发展是十分重要的。迄今为止，还没有任何公众所知而又经济可行的方法可以做到这一点。对于在食品和电子产品类应用中，已知技术的成本过于昂贵。
当将元素磷转化成磷酸时，这一问题将始终存在，因为，磷中的砷和锑会带入磷酸，必须就在磷酸中进行处理。虽然通过硫化可以有效地去除磷酸中的砷，但是对于锑却不行。所以，在高价值的磷酸产品例如食用酸和半导体酸中，锑将成为一个问题。
在此有两篇相关的参考文献，但是都没有谈到锑的去除，它们都只谈了另一重金属砷的去除。这两篇参考文献如下所述于1991年5月15日公布的俄罗斯专利申请SU1648899A1讲述的是，如果在搅拌条件下，在55至85℃按照Fe3+比As为40至80的质量比，用三价铁盐的水溶液处理具有高含量的砷、有机物和不溶性残留物的元素磷3至5小时，可以去除其中的砷。该专利申请指出，元素磷在处理前的砷含量为0.023％(230ppm)，经所述条件的处理后，砷含量为0.003％(30ppm)。其中列举的所用铁盐只有氯化铁和硫酸铁。
1992年7月12日公开的日本专利申请JP06040710A讲述的是可以在粗黄磷中加入氧化碘(一种碘酸盐化合物)与磷中的砷反应。反应产物氧化砷的沸点高于磷，所以磷可以先蒸馏出来而留下氧化砷。该申请指出，可将砷含量从61ppm降至2.1ppm。人们知道，单独进行蒸馏也可以做到这一点。
迄今报道过的化学方法不是过于昂贵就是缺乏效果。一方面，JP06040710A的方法极其昂贵，因为磷是通过蒸馏从砷中分离出来的，而蒸馏是一个耗能高又需要精密设备的过程。另一方面，SU1648899A1的方法又不可行。正如本文所述，其中的结果难以再现。为此所作的努力证明，该方法对于去除砷没有或者几乎没有效果。本文的实施例1、2和3证明砷的含量没有降低，因为，实施例2中的降低5％实际上属于正常的实验/分析误差。这些结果与该申请中声称的降低90％完全相反。基于所述的不一致性，该申请不能被视为是讲述砷的去除方法。而且，因为该方法不能去除唯一被例举的金属砷，所以也不能从中找到去除任何其它金属的方法。
缺乏清楚的指导，加上误导，使得寻找一种在成本上有效的从磷中去除锑的方法变得十分困难。但是出乎意料的是，我们毕竟发现了这样一种成本上有效的方法。
发明概述本发明发现，可以如下提纯元素磷，即通过在多相元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的某种调节剂，所述的多相体系包括水相和与水相不混溶的含锑的元素磷相，所述的调节剂选自铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐与游离碘、碘化铁(Ⅱ)、游离碘、硫酸铁(Ⅱ)或硫酸铁(Ⅲ)；在磷的熔点以上至水的沸点以下的温度搅拌形成的混合物，然后将水相与磷相分离，从而回收锑含量已降低的磷。详细说明元素磷具有许多种同素异形体。本发明的磷，一般称为“元素磷”，其熔点约为44.1℃，沸点约为280.5℃。在教科书中，因为经纯化的元素磷是白色的，所以它有时称为白磷。但是在工业中，它们一般称为黄磷，因为黄色通常是工业纯形式的颜色。
元素磷会自发地与空气反应。虽然将磷保存于真空或者用惰性气体掩盖可以避免磷与空气的接触，但是通常利用水掩盖来避免它与空气的接触。因为水与磷不混溶而且密度低于磷，它在磷表面形成一个静止的保护性水层，它作为有效而经济的界面避免了空气/与磷的接触。
锑在磷相中与元素磷是密切关联的。虽然不知道锑与磷结合的确切方式，但是这种结合方式使得无法仅通过水萃取将锑与磷分离。另一方面，本发明的调节剂通常是水溶性的，虽然有时该溶解度非常有限。虽然这些调节剂可以以固体或者水溶液的形式加到磷体系中，我们希望调节剂在作用时从一相出来，而锑从另一相出来。
由于调节剂与锑开始是存在于不同相的，依靠单纯地在锑中加入调节剂而发生调节的可能性预计是极低的。实际上元素磷中锑的含量极少，仅为ppm级，这更降低了上述可能性。仅仅由于这些因素，调节剂与含锑磷发生调节性接触的可能性就极低，且不说还会有其它因素。
我们已经确定，可以采取一些措施来增加有效调节性接触的可能性。其中之一是加强对磷体系的搅拌。调节作用在真空或者在惰性气体掩盖下发生的除外，搅拌强度必须受到限制，因为需要避免磷与空气接触。搅拌太强时磷相与空气接触而产生的反应会降低磷的得率，产生不需要的副产物，而且可能给工厂、设备和人员造成危险。
可以采取的另一措施是增加调节剂的量，通过增加调节剂与磷相接触的机会来提高调节过程的效率。虽然某一些调节剂可能是起催化剂的作用，因此其用量无需是化学计量的，但是，通常调节剂最好对于锑是过量的。这样，不论调节反应是否实际上按照化学计量进行，最好使用过量的调节剂。
另一措施是在调节和提纯过程中控制磷体系的温度。因为磷在44.1℃融化，混合温度的下限必须高于这一温度。为了不使水沸腾，上限温度又不能超过水的沸点。适当的混合温度在47至87℃的范围之间。但是，更好的操作温度范围是55至70℃。
在本文中，“化学计量的”只是一个为了方便而用的术语，表示调节剂应当使用的用量而已，并非表示调节作用本身是化学计量的。虽然由于上述的理由，亚化学计量的量可能是有效的，但各种调节剂的使用宜按照调节剂量与锑量之比为约1∶1或更大；较好的是约10∶1或更大，还要好的是约50∶1或更大，最好的是约100∶1或更大。随着比例的升高，调节剂过量越多，调节作用就会越快越充分。假设调节剂加量充足，搅拌充分，调节反应一般在0.5至5小时内即可完成。
但是，在实际操作中，所述比例的大小一方面受到需要避免浪费调节剂的限制，另一方面受到需要限制在合理的过程时间内的限制。一般实验室规模的试验可以用来确定给定体系的最佳比例。如实施例所示，铁与锑的摩尔比为60∶1，同时碘与锑的摩尔比为15∶1，对于仅在3至5小时内调节磷体系是很合适的。
虽然上述调节剂与锑的一般性比例对所有调节剂都适用，但是如下文所述，在有些时候，具体调节剂的加量还可以进一步优化。
由于碘在水中的溶解度很低，它在锑去除的用途上可能是受到限制的；但是，实际上并不是这样。然而，有必要使用足量的游离碘来促进为去除锑而进行的调节过程。为了最大限度地去除锑，不论是单独用作调节剂还是与其它调节剂合用，碘与锑之比是1∶1或更大，更好的是5∶1或更大。
使用铁(Ⅱ)盐和/或铁(Ⅲ)盐时，铁(Ⅱ)和/或铁(Ⅲ)与锑之比是1∶1或更大。同样，因为作为杂质的锑的含量很低，较好的比例是约20∶1或更大。一般的说，水溶性铁(Ⅱ)或铁(Ⅲ)的任何源物质都可以使用。本发明说明书中用的的是碘化物、氯化物和硫酸盐。但已知只有氯化物在没有碘化物或碘存在情况下，其效果不好。碘化铁(Ⅱ)可以单独使用，也可以同时加入游离碘使用。当碘化铁(Ⅱ)在不加游离碘情况下使用时，它可以按照1∶1或更大的铁与锑之比使用，但是较好的是按照5∶1或更大的比例使用。当碘化铁与游离碘一起使用时，其加入量根据前文铁盐和游离碘的使用来确定。
调节过程完成后，可以通过将水相与磷相分离来达到分离磷和锑的目的。此时要停止搅拌，使两相先分开成两层。然后，可以通过令水相流过一溢流堰装置或使用虹吸装置来将其与磷相分离。也可以将，磷相从水相的下面排放出来。一般来说，优选采用重力分离。
本发明的另一优点是纯化磷的得率很高。实际上，使用本发明的提纯方法，磷几乎没有损失。在本文的实验中，提纯后磷的回收率超过99％。这与其它萃取方法形成对比，例如在萃取砷的硝酸法中元素磷的损失约为15％。
后面的一些实施例是为了进一步说明本发明而不是限定本发明的范围。除非另作说明，实施例、整个说明书和权利要求中的份数和百分比都是按重量计的；所有温度都以℃为单位；所有的成份比都是化学计量计的。
但是，首先对这些实施例作如下的概括根据SU1648899A1，单独用氯化铁(Ⅲ)或硫酸铁(Ⅱ)都不能降低元素磷中的砷含量。事实上，砷降低的百分比是这样的实施例1(0％)，实施例2(5％)，实施例3(0％)。
在本发明的实施例中，硫酸铁(Ⅲ)表现出能显著降低元素磷中的锑含量。降低的百分比为实施例7(68％)。所以，可以单独使用硫酸铁(Ⅲ)来降低磷中的锑含量。
单独使用硫酸铁(Ⅱ)也能显著降低元素磷中的锑含量。降低的百分比为实施例6(57％)。所以，实施例6和7证明，可以单独使用或合用硫酸铁(Ⅱ)和硫酸铁(Ⅲ)来降低磷中的锑含量。
单独的游离碘能显著降低元素磷中的锑含量。降低的百分比为实施例4(53％)，实施例5(60％)。
氯化铁(Ⅲ)当与游离碘合用时，对于减低元素磷中的锑含量具有很明显的效果。降低的百分比为实施例8(94.9％)，实施例9(94.9％)，实施例10(97％)，实施例11(94.9％)。
碘化铁(Ⅱ)对于降低元素磷中的锑含量也有明显效果。降低的百分比为实施例12(94.5％)。
使用本方法可能也会降低磷中其它重金属的浓度。在实施例13中，对处理后的磷就其它重金属进行了分析，结果显示，磷中的铝、铅和锌含量也降低了。
在先技术实施例实施例1．(单用氯化铁(Ⅲ)萃取)将80克去离子水和20.3克10％的FeCl3溶液加入200ml的烧杯中，搅拌并水浴加热至50℃。当溶液达到该温度后，加入50.5克元素磷并在该温度下混合5小时。5小时后停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析200ppm砷处理后的磷分析200ppm砷实施例2．(单用氯化铁(Ⅲ)萃取)将80克去离子水和20.3克10％的FeCl3溶液加入200ml的烧杯中，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入50.0克元素磷并在该温度下混合3小时。3小时后停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析200ppm砷处理后的磷分析190ppm砷实施例3．(单用硫酸铁(Ⅲ)萃取)将80克去离子水和20.3克10％的Fe2(SO4)3溶液加入200ml的烧杯中，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.0克元素磷并在该温度下混合4小时。4小时后停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析200ppm砷处理后的磷分析200ppm砷本发明的实施例实施例4．(单用碘萃取)将100克饱和碘溶液加入200ml的烧杯，以300rpm搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析22ppm锑实施例5．(单用碘萃取)将100克饱和碘溶液加入200ml的烧杯，以300rpm搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析19ppm锑实施例6．(单用硫酸铁(Ⅱ)萃取)将80克去离子水和20.3克10％的FeSO4溶液加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入41.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析20ppm锑实施例7．(用硫酸铁(Ⅲ)萃取)将80克去离子水和20.3克10％的Fe2(SO4)3溶液加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析15ppm锑实施例8．(用氯化铁(Ⅲ)和碘萃取)将80克去离子水、20.3克10％的FeCl3溶液和0.3克碘加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入51.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分开。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析2.4ppm锑实施例9．(用氯化铁(Ⅲ)和碘萃取)将80克去离子水、20.3克10％的FeCl3溶液和0.3克碘加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.0克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析2.4ppm锑实施例10．(用氯化铁(Ⅲ)和碘萃取)将80克去离子水、20.3克10％的FeCl3溶液和0.3克碘加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.9克元素磷并在此温度混合4小时。4小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析1.4ppm锑实施例11．(用氯化铁(Ⅲ)和碘萃取)将80克去离子水，20.3克10％的FeCl3溶液和0.3克碘加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入39.7克元素磷并在此温度混合3小时。3小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。处理后残留的磷的重量为39.5克，表明回收率为99.7％。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析2.4ppm锑实施例12．(用碘化铁(Ⅱ)萃取)将100克2％的碘化铁(FeI2·H2O)溶液加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入38.0克元素磷并在此温度混合3小时。3小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出分析。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析2.6ppm锑实施例13．(用氯化铁(Ⅲ)和碘萃取)将80克去离子水，20.3克10％的FeCl3溶液和0.3克碘加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入40.3克元素磷并在此温度混合3小时。3小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出。回收得磷40.0克，回收率超过99％。对产物进行了分析并与萃取前的磷分析进行了比较。
元素起始的磷萃取后的磷铝 1.6ppm ＜1ppm镉 15ppm 13ppm铬 ＜1ppm ＜1ppm铅 0.13ppm＜0.1ppm锑 20ppm 2.0ppm硅 ＜5ppm ＜5ppm锌 4.8ppm ＜1ppm从这个实施例可以看出，和我们在前几个实施例中看到的一样，锑含量明显降低(90％)。此外，产物中的铝、铅和锌含量看来也降低了。
实施例14．(减少溶液中萃取剂的量)将90克饱和碘溶液(碘在水中的溶解度是每100克水0.029克)和10.0克10％的FeCl3溶液(1.0克FeCl3)加入200ml的烧杯，搅拌并水浴加热至60℃。当溶液达到该温度后，加入38.2克元素磷并在此温度混合3小时。3小时后，停止搅拌，水相和磷相分层。将磷相冷却至凝固(30℃)，排出水相。然后用去离子水在50℃将磷相洗涤30分钟，然后取出。对产物进行分析并与萃取前的磷分析进行比较。
处理前的磷分析47ppm锑处理后的磷分析1.8ppm锑此实验证明，氯化铁和碘可以按照少于先前试验的量来使用，氯化铁至少减少一半，而碘几乎减少90％。
权利要求
1．一种提纯元素磷的方法，它是在多相元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的某种调节剂，所述的多相体系包括水相和与水相不混溶的含锑的元素磷相，所述的调节剂选自铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐与游离碘、碘化铁(Ⅱ)、游离碘、硫酸铁(Ⅱ)或硫酸铁(Ⅲ)；在磷的熔点以上至水的沸点以下的温度搅拌形成的混合物，然后将水相与磷相分离，从而来回收锑含量已降低的磷。
2．根据权利要求1所述的方法，在其中的元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的由游离碘和铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐构成的调节剂。
3．根据权利要求2所述的方法，其中的游离碘和铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐各自是按照1∶1或更大的其与锑之比加入的，而且水相中的锑是通过重力分离与磷相分离的。
4．根据权利要求2所述的方法，其中的游离碘和铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐各自是按照10∶1或更大的其与锑之比加入的。
5．根据权利要求2所述的方法，其中的游离碘和铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐各自是按照100∶1或更大的其与锑之比加入的。
6．根据权利要求1所述的方法，其中的调节剂是碘化铁(Ⅱ)，而加入元素磷体系的碘化铁(Ⅱ)的量对降低磷中锑含量是有效的。
7．根据权利要求6所述的方法，其中的碘化铁(Ⅱ)是按照1∶1或更大的碘化铁(Ⅱ)与锑之比加入的。
8．根据权利要求6所述的方法，其中的碘化铁(Ⅱ)与锑之比是50∶1或更大，而且水相中的锑是通过重力分离与磷分离的。
9．根据权利要求7所述的方法，其中的碘化铁(Ⅱ)与锑之比是100∶1或更大。
10．根据权利要求1所述的方法，其中的调节剂是元素碘，其中在元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的元素碘。
11．根据权利要求10所述的方法，其中的元素碘是按照1∶1或更大的碘与锑之比加入的，而且锑是通过水相与磷相的重力分离与磷分离的。
12．根据权利要求10所述的方法，其中的元素碘是按照10∶1或更大的碘与锑之比加入的。
13．根据权利要求10所述的方法，其中的元素碘是按照100∶1或更大碘与锑之比加入的。
14．根据权利要求1所述的方法，其中的调节剂是硫酸铁(Ⅱ)，其中在元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的硫酸铁(Ⅱ)。
15．根据权利要求14所述的方法，其中的硫酸铁(Ⅱ)是按照1∶1或更大的硫酸铁(Ⅱ)与锑之比加入的，而且锑是通过水相与磷相的重力分离与磷分离的。
16．根据权利要求15所述的方法，其中的硫酸铁(Ⅱ)是按照10∶1或更大的硫酸铁(Ⅱ)与锑之比加入的。
17．根据权利要求15所述的方法，其中的调节剂是硫酸铁(Ⅱ)，在元素磷中按照在50∶1之内或更大的硫酸铁(Ⅱ)与锑之比加入硫酸铁(Ⅱ)。
18．根据权利要求1所述的方法，其中按照至少1∶1的硫酸铁(Ⅲ)与锑之比加入硫酸铁(Ⅲ)，锑是通过水相与磷相的重力分离与磷分离的。
19．根据权利要求18所述的方法，其中的硫酸铁(Ⅲ)是按照10∶1或更大的硫酸铁(Ⅲ)与锑之比加入的。
20．根据权利要求18所述的方法，其中的硫酸铁(Ⅲ)是按照50∶1或更大的硫酸铁(Ⅲ)与锑之比加入的。
全文摘要
本发明公开了一种提纯元素磷的方法,它是在多相元素磷体系中加入对降低磷中锑含量有效量的某种调节剂,所述的多相体系包括水相和与水相不混溶的含锑元素磷相,所述的调节剂选自铁(Ⅱ)盐或铁(Ⅲ)盐与游离碘、碘化铁(Ⅱ)、游离碘、硫酸铁(Ⅱ)或硫酸铁(Ⅲ);在磷的熔点以上至水的沸点以下的温度搅拌形成的混合物,然后将水相与磷相分离,从而回收锑含量已降低的磷。
文档编号C01B25/00GK1210502SQ97192046
公开日1999年3月10日 申请日期1997年2月4日 优先权日1996年2月5日
发明者L·T·贡克尔 申请人:Fmc有限公司