CN109368612A - 一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法及其制备的磷酸铁 - Google Patents
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法及其制备的磷酸铁 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法及其制备的磷酸铁。本发明的制备方法包括:将磷酸铁生产废水处理***中的硫酸铵和磷酸一铵混合溶液加水稀释,得到磷源;制备二水磷酸铁;将二水磷酸铁水洗至电导率≤200us/cm;将二水磷酸铁滤饼闪蒸干燥,煅烧得到电池级磷酸铁。本该方法以特定磷酸一铵和硫酸铵含量的磷酸铁废水作为磷源,通过与铁源、氧化剂等在特定的条件下氧化还原反应,煅烧制备电池级磷酸铁,解决了磷酸铁废水处理***的磷酸根处理问题,而且降低了磷酸铁废水处理的能耗,实现了废水中磷资源的再利用,制备得到的电池级磷酸铁样品杂质含量低于50ppm,产率高达95~99%,能够大幅度降低磷酸铁的生产成本,具有较高的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及新能源材料技术领域,更具体地,涉及一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法及其制备的磷酸铁。
背景技术
目前市面上的磷酸铁生产工艺主要以磷酸盐溶液为磷源,为了更好的进行晶型转化,制备过程中通常将磷过量5~15%,且为更好的洗去产品中的硫酸根,采用的是含磷酸根的洗涤水,因此磷酸铁生产废水中含有大量的硫酸根、铵根、磷酸根以及微量的其他杂质离子。目前主流的磷酸铁废水处理工艺主要流程是:向磷酸铁生产废水中加入氨水调节pH值至6~6.5,使磷酸铁废水中的铁、镍、铬和锰离子分别形成氢氧化物或磷酸盐沉淀。再经板框过滤去除沉淀,过滤后的磷酸铁废水转移至膜处理***,经过一、二、三级反渗透浓缩。浓缩后的磷酸铁废水进入MVR进行蒸发结晶,使得磷酸铁废水中的磷酸根、硫酸根和铵根不断浓缩,pH值降至2.5~3.5之间,浓度高于饱和度的硫酸铵不断析出。再通过离心进行固液分离,将固体进行干燥即得99.5%含量的硫酸铵产品,最后将滤液循环回MVR重新蒸发。由于磷酸一铵的溶解度低于硫酸铵的溶解度,所以为保证生产纯度99.5%的硫酸铵副产品,必须要在废水中磷酸一铵含量浓度快超过饱和度时进行“排浓”,即:将快饱和的磷酸一铵和硫酸铵混合溶液转移至未处理的的磷酸铁污水进行重新处理,或者排往沉降池中加入氢氧化钙除磷之后再回MVR进行蒸发结晶。然而,将高浓度的磷酸一铵和硫酸铵混合溶液排往污水池重新进行废水处理,不但会增加废水能耗,而且随着污水处理量的增多,磷酸根不断富集,“排浓”越来越频繁,不能从根本上解决问题。此外,使用氢氧化钙进行除磷,生成的磷酸钙副产品附加值低,一般只能作为固废低价处理。现有技术CN201710856857.7公开了一种磷酸铁生产过程中母液的循环利用方法,其中对磷酸铁母液中的磷资源和氮资源都进行了循环利用。该方法在磷资源的回收利用中的磷源为磷酸铁母液,即磷酸铵和磷酸,该方法虽然提升了磷的利用率,但生产过程中还是会产生硫酸铵,那么在进行生产废水处理过程中还是会存在磷酸根不断富集的问题,因此,该回收方法仍旧没有解决“排浓”问题。
因此,为了从根本上解决“排浓”问题,提高磷酸铁生产废水中副产品附加值,提供一种电池级磷酸铁的制备方法具有重要意义。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足,提供一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,该方法将磷酸铁生产废水处理***中的硫酸铵和磷酸一铵混合溶液加水稀释,并将其作为磷源,提升了磷酸铁废水中磷资源的附加值,实现了资源回用,降低了磷酸铁生产成本,具有较高的经济效益。
本发明的另一目的在于提供一种由本发明的方法制备得到的磷酸铁。
本发明上述目的通过以下技术方案实现:
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,包括以下步骤:
S1.配制磷源:将磷酸铁生产废水处理***中的硫酸铵和磷酸一铵混合溶液加水稀释,得到磷源,其中所述磷源中,磷的质量分数为5~6%,硫的质量分数为7~8%,铵根的质量分数为10~12%;
S2.制备二水磷酸铁:将S1中所述磷源与铁源、沉淀剂、氧化剂混合发生氧化反应,得到二水磷酸铁浆料,其中铁源为含亚铁离子的溶液,反应pH为1.8~3.0,反应温度为80~100℃,Fe:P:氧化剂的摩尔比为0.99~1.03:1~1.10:0.6~0.9;
S3.除杂:将S2中所述二水磷酸铁水洗至电导率≤200us/cm,得到二水磷酸铁滤饼;优选所述二水磷酸铁的含水率为30~40%;
S4.煅烧:将S3中所述二水磷酸铁滤饼煅烧得到电池级磷酸铁,其中煅烧温度为600~700℃。
磷酸铁生产废水处理过程中,MVR排浓***中的磷酸一铵和硫酸铵混合溶液具备高浓度的特点,其中磷的质量含量为10~12%,硫的质量含量为14~16%,铵根的质量含量为20~24%。当直接使用高浓度的磷酸一铵和硫酸铵混合溶液作为磷源时,反应速率较高,不利于产品形貌的控制,所以要配制成低浓度的磷酸一铵和硫酸铵混合溶液。当磷酸一铵和硫酸铵浓度太低时,不但会增加MVR排浓频率,影响MVR的污水处理效率,增加污水处理的负担,而且会导致反应浆料固含量太低,单釜产量太低,影响生产效率。因此本发明人通过大量实验探索发现,通过加水稀释,使得磷源中磷的质量分数为5~6%,硫的质量分数为7~8%,铵根的质量分数为10~12%时,产品形貌易于控制,制得的产品品质较好且不影响生产效率。
其中沉淀剂优选为氨水和/或尿素。
S3中优选洗涤后得到的二水磷酸铁滤饼的含水率为30~40%。
优选地,S1中所述磷源中,磷的质量分数为5.5%,硫的质量分数为7.5%,铵根的质量分数为11%。
优选地,S2中所述反应pH为2.0~2.4。反应pH值过低时,二水磷酸铁不能完全反应沉淀,收率偏低,废水中磷资源利用率低,浪费严重。反应pH值偏高,反应过程中会生成氢氧化铁杂质,氢氧化铁杂质颗粒细小,容易吸附大量杂质,不利于产品的品质。
优选地,S2中所述反应时间为2~6h。反应时间过长,会影响生产效率,影响产能。反应时间过短,反应过程二水磷酸铁成核速率太快,颗粒细小,比表面积较大,容易吸附大量杂质,产品杂质含量容易超标。
优选地,S2中所述铁源中铁的质量分数为5~6%。铁质量分数过高,反应过程二水磷酸铁成核速率太快,颗粒细小,比表面积较大,容易吸附大量杂质,导致产品杂质含量偏高。铁质量分数偏低,单釜产能低,影响生产效率。
优选地,S2中所述铁源为硫酸亚铁溶液。
优选地,S2中所述氧化剂为过氧乙酸和/或双氧水。
优选地,S3中所述水洗为纯水洗涤。采用纯水洗涤能够降低磷酸铁成品中硫酸根等杂质含量,控制电导率≤200us/cm是为了控制磷酸铁成品的杂质含量。
本发明步骤S3所述二水磷酸铁滤饼经挤压处理。
优选地,S4中所述升温速率为1~5℃/min。升温速率太快,不利于无水磷酸铁烧结过程的水汽排放,影响产品的杂质含量,当升温速率太高,产品升温时间偏短,煅烧过程二水磷酸铁脱除两个结晶水的带来的水汽就来不及排放,脱除的结晶水往往还会带走部分杂质,如果水汽排放不畅,那么水汽还是在产品内停留,这会导致产品杂质含量偏高。升温速率太低,会影响生产效率。
更优选地,S4中所述升温速率为2~3℃/min。本发明步骤S4所述二水磷酸铁滤饼经过闪蒸干燥处理后再进行煅烧。
一种由本发明的方法制备得到的磷酸铁也在本发明的保护范围之内。采用本发明的所述制备方法得到的电池级磷酸铁中锌、镍、钾、铜等离子的含量均低于50ppm,杂质含量低,满足电池级磷酸铁的品质要求,电池级磷酸铁杂质标准Ca≤50ppm,Mg≤50ppm,Na≤100ppm,K≤100ppm,Cu≤50ppm,Zn≤50ppm,Ni≤50ppm。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
本发明提供了一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,该方法以特定磷酸一铵和硫酸铵含量的磷酸铁废水作为磷源,通过与铁源、氧化剂等在特定的条件下氧化还原反应,煅烧制备电池级磷酸铁,不仅从根本上解决了磷酸铁废水处理***不断富集的磷酸根处理问题,而且降低了磷酸铁废水处理的能耗,实现了废水中磷资源的再利用,制备得到的电池级磷酸铁样品杂质含量低于50ppm,产率高达95~99%,实现了磷资源的回用,能够大幅度降低磷酸铁的生产成本,具有较高的经济效益。
具体实施方式
为了更清楚、完整的描述本发明的技术方案,以下通过具体实施例进一步详细说明本发明,应当理解,此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明,并不用于限定本发明,可以在本发明权利限定的范围内进行各种改变。
实施例1
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,包括以下步骤:
S1.配制磷源:将磷酸铁生产废水处理***中的硫酸铵和磷酸一铵混合溶液加水稀释,得到磷源,其中磷源中磷的质量分数为5%,硫的质量分数为7%,铵根的质量分数为10%;
S2.制备二水磷酸铁:将S1中磷源与铁源、氧化剂,沉淀剂混合发生氧化反应,得到二水磷酸铁,其中铁源为硫酸亚铁溶液,硫酸亚铁溶液中铁的质量分数为5.5%,氧化剂为双氧水,沉淀剂为氨水,反应pH为1.8,反应温度为80℃,反应时间为4h,Fe:P:氧化剂的摩尔比为0.99:1:0.6;
S3.除杂:将S2中二水磷酸铁水洗至电导率≤200us/cm,挤压得到二水磷酸铁滤饼,含水率30%;
S4.煅烧:将S3中二水磷酸铁滤饼闪蒸干燥,煅烧得到电池级磷酸铁,其中煅烧温度为650℃,升温速率为1℃/min。
实施例2
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S1中磷的质量分数为6%,硫的质量分数为8%,铵根的质量分数为12%,铁源为硫酸亚铁,铁的质量分数为6%。
实施例3
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S1中磷的质量分数为6.5%,硫的质量分数为7.5%,铵根的质量分数为11%。
实施例4
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S2中氧化反应的氧化剂为过氧乙酸,且Fe:P:氧化剂的摩尔比为1:1.05:0.7。
实施例5
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S2中反应pH为3.0。
实施例6
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S2中反应pH为2.4。
实施例7
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S2中反应pH为2.0。
实施例8
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S4中升温速率为5℃/min。
实施例9
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S4中升温速率为2℃/min。
实施例10
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S4中升温速率为3℃/min。
对比例1
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S1中磷的质量分数为4%,硫的质量分数为6%,铵根的质量分数为9%。
对比例2
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S1中磷的质量分数为7%,硫的质量分数为9%,铵根的质量分数为13%。
对比例3
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,其区别在于,S3中二水磷酸铁的电导率水洗至280us/cm。
对比例4~11
一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,与实施例1基本相同,具体区别工艺条件见表1。
其中,表1中A为S2中的反应pH,B为S2中的反应温度,℃,C为Fe:P:氧化剂的摩尔比,D为S4中的煅烧温度,℃。
表1
项目 | A | B | C | D |
对比例4 | 1 | 80 | 0.99:1:0.6 | 650 |
对比例5 | 4 | 80 | 1:1.05:0.7 | 650 |
对比例6 | 1.8 | 70 | 1:1.05:0.7 | 650 |
对比例7 | 1.8 | 110 | 0.99:1:0.6 | 600 |
对比例8 | 1.8 | 100 | 0.8:1:0.9 | 700 |
对比例9 | 1.8 | 80 | 1.5:0.9:0.5 | 650 |
对比例10 | 1.8 | 80 | 0.99:1:0.6 | 500 |
对比例11 | 1.8 | 80 | 1:1.05:0.7 | 800 |
结果检测与评价
对实施例和对比例所述电池级磷酸铁的产率进行计算,计算公式为产率=单批次实际产品重量/单批次理论产品重量,计算结果如表2所示。
表2
电池级磷酸铁要求Ca≤50ppm,Mg≤50ppm,Na≤100ppm,K≤100ppm,Cu≤50ppm,Zn≤50ppm,Ni≤50ppm。对实施例和对比例所述电池级磷酸铁样品的杂质含量进行检测,其中,检测方法为:电感耦合等离子体发射光谱法,检测仪器为:ICP-OES,检测结果如表3。
表3
本发明采用磷酸一铵和硫酸铵代替高纯度的磷酸盐,能避免磷酸铁废水的重复蒸发结晶,节约了重复结晶所消耗的能量,实现了废水中磷资源的再利用,提升了磷酸铁废水中磷资源的附加值。从根本上解决了磷酸铁废水处理的“排浓”问题。当工业生产磷酸铁年产量为5000吨时,生产废水中富集的磷就有300吨左右,采用本发明所述的制备方法,可以节约300万左右的生产成本,降低了磷酸铁的生产成本,具有较高的经济效益和环保效益。
显然,本发明的上述实施例仅是为清楚地说明本发明所作的举例,而并非是对本发明的实施方式的限定。本领域技术人员应当理解,在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动,这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种利用磷酸铁生产废水制备电池级磷酸铁的方法,其特征在于,包括以下步骤:
S1. 配制磷源:将磷酸铁生产废水处理***中的硫酸铵和磷酸一铵混合溶液加水稀释,得到磷源,其中所述磷源中,磷的质量分数为5~6%,硫的质量分数为7~8%,铵根的质量分数为10~12%;
S2. 制备二水磷酸铁:将S1中所述磷源与铁源、沉淀剂、氧化剂混合发生氧化反应,得到二水磷酸铁浆料,其中铁源为含亚铁离子的溶液,反应pH为1.8~3.0,反应温度为80~100℃,Fe:P:氧化剂的摩尔比为0.99~1.03:1~1.10:0.6~0.9;
S3. 除杂:将S2中所述二水磷酸铁水洗至电导率≤200us/cm,得到二水磷酸铁滤饼;
S4. 煅烧:将S3中所述二水磷酸铁滤饼煅烧得到电池级磷酸铁,其中煅烧温度为600~700℃。
2.如权利要求1所述方法,其特征在于,S1中所述磷源中,磷的质量分数为5.5%,硫的质量分数为7.5%,铵根的质量分数为11%。
3.如权利要求1所述方法,其特征在于,S2中所述反应pH为2.0~2.4。
4.如权利要求1所述方法,其特征在于,S2中所述反应时间为2~6 h。
5.如权利要求1所述方法,其特征在于,S2中所述铁源中铁的质量分数为5~6%。
6.如权利要求1所述方法,其特征在于,S2中所述铁源为硫酸亚铁溶液。
7.如权利要求1所述方法,其特征在于,S2中所述氧化剂为过氧乙酸和/或双氧水。
8.如权利要求1所述方法,其特征在于,S4中所述煅烧的升温速率为1~5℃/min。
9.如权利要求8所述方法,其特征在于,S4中所述升温速率为2~3℃/min。
10.一种由权利要求1~9任一项所述方法制备的磷酸铁。
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