CN113896178A - 一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法 - Google Patents

一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，将有机相萃取剂溶液和水相含杂质的磷酸二氢铵溶液分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备，该设备包括两个入口段、撞击混合段、缩径段、喉管段、扩径段和稳定段，同时利用加气泵分别有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取。本发明的方法可实现在较短时间内完成萃取过程，极大地提高了萃取速率，具有操作简单、能耗低、易于工业放大生产等优点。

Description

一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法
技术领域
本发明涉及一种磷酸二氢铵中杂质离子的脱除方法，特别涉及一种利用撞击式水力空化萃取设备对磷酸二氢铵中杂质离子的脱除方法。
背景技术
磷酸二氢铵(MAP)是一种重要的磷酸盐产品，在农业、消防、食品及医药领域具有重要应用价值。MAP的生产方法主要有热法磷酸法和湿法磷酸法。近年来，湿法磷酸法因其成本低、能耗低、污染少等优点受到人们的重视。然而，湿法磷酸法生产的MAP中会残留许多杂质，如Fe3+、Al3+、Mg2+等金属杂质。这些杂质会对晶体形貌和产品品质产生重要影响，特别是制备食品级或更高级别用途的MAP对杂质限量更加严格，因此，在MAP结晶之前对溶液中存在的金属杂质离子进行脱除十分重要。目前，脱除这些杂质的方法主要有吸附法、离子交换法和溶剂萃取法等。吸附法是利用疏松多孔或比表面积较大的固体材料与MAP溶液中的金属杂质离子通过物理化学吸附、配位络合等作用实现脱除的过程，通常此种方法的吸附剂用量多，成本昂贵。离子交换法虽然可制得高品质的MAP产品，但离子交换树脂饱和吸附量较小，需要频繁再生。溶剂萃取法是通过萃取剂将金属离子从水相转移到有机相中而实现杂质离子分离的方法，是目前脱除MAP中金属离子最常用的方法。采用溶剂萃取法脱除杂质离子，萃取设备的选择至关重要，常采用的萃取设备为混合澄清槽或振动筛板塔，但此类常规萃取设备的萃取速率慢、物料停留时间长，导致设备体积庞大和过程调控难等问题。
水力空化是一种绿色高效的处理技术，流体通过空化设备（如孔板、文丘里管等）时会产生空化效应，包括化学效应和物理效应。化学效应是因空化泡溃灭产生瞬时高温高压促使产生大量自由基从而强化化学反应过程，物理效应是空化发生时能产生强冲击波和高速微射流，加强物质的接触，加速流场中的传质过程。由于水力空化技术具有能耗低、成本低、易于控制和工业放大等优点，已在生物燃料合成、废水处理、乳化等领域得到了广泛关注，但还未见其在液液萃取领域的研究和应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，该方法将有机相和水相送入撞击式水力空化萃取设备中，通过两相流体在空化效应下获得充分混合而实现金属离子的高效脱除，具有简单易行、能耗低和效率高等特点，具有大规模工业应用的优势。
解决上述技术问题的技术方案是：一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，利用撞击式水力空化萃取设备进行，所述撞击式水力空化萃取设备包括入口段Ⅰ、入口段Ⅱ以及依次连通的撞击混合段、缩径段、喉管段、扩径段和稳定段，所述入口段Ⅰ、入口段Ⅱ和撞击混合段相互连通。
该磷酸二氢铵中杂质离子的脱除方法是：将有机相萃取剂溶液和水相含杂质的磷酸二氢铵溶液分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取。
有机相和水相料液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～4；
（2）有机相中萃取剂的浓度为0.5～4%；
（3）水相溶液初始pH为1.5～4.5；
（4）萃取时间为1～60min；
（5）入口压力为0.05～0.5 MPa；
（6）萃取温度为20～70℃；
（7）加气泵的转速为10～150 r/min。
进一步的，所述气体是空气、氮气或氩气。
进一步的，喉管段直径D4为0.5～0.9 mm，喉管段长度L1为1.5～2.5 mm。
进一步的，入口段Ⅰ与入口段Ⅱ之间的夹角γ为45°～180°。
进一步的，入口段Ⅰ直径D1、入口段Ⅱ直径D2和混合段直径D3相等。
进一步的，混合段直径D3与喉管段直径D4比值为5～12.5；稳定段直径D5与喉管段直径比值为6.7～15。
进一步的，缩径段锥角α为20°～35°；扩径段锥角β为27°～45°。
进一步的，有机相和水相料液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～2；
（2）有机相中萃取剂的浓度为2～3%；
（3）水相溶液初始pH为2.5～3.5；
（4）萃取时间为2～15 min；
（5）入口压力为0. 1～0.3 MPa；
（6）萃取温度为30～50℃；
（7）加气泵的转速为60～80 r/min。
进一步的，所述萃取剂是P204或P507。
进一步的，进行二次萃取，即有机相和水相在撞击式水力空化萃取设备内进行循环萃取2-9min为第一次萃取，然后将有机相和水相分离，再将分离得到的萃余相与新鲜萃取剂进行第二次萃取，第二次萃取的方法与第一次萃取相同，萃余相与新鲜萃取剂在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～4；
（2）有机相中萃取剂的浓度为0.5～4%；
（3）水相溶液初始pH为1.5～4.5；
（4）萃取时间为2～6min；
（5）入口压力为0.05～0.5 MPa；
（6）萃取温度为20～70℃；
（7）加气泵的转速为10～150 r/min。
本发明具有的有益效果是：通过在有机相和水相溶液中分别引入气泡，两股流体经撞击初步混合，在流经空化设备处因空化效应获得充分混合而发生高效传质，气泡的引入强化了流场的扰动，进一步强化了空化效应，促进了传质。本方法具有简单易行、能耗低和效率高等特点。本发明撞击式水力空化萃取设备达到萃取接近饱和的时间短，不到传统搅拌萃取设备达到萃取接近饱和时间的10%，且具有大规模工业应用的优势。
下面，结合附图和实施例对本发明之一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法的技术特征作进一步的说明。
附图说明
图1：本发明实施例1采用的水力空化循环萃取装置示意图。
图2：本发明之撞击式水力空化萃取设备示意图。
图1中箭头表示物料的流动方向。
具体实施方式
本发明各实施例使用的水力空化循环萃取装置如图1所示，包括恒温水槽1、贮槽2、循环泵Ⅰ3、循环泵Ⅱ4、加气泵5和撞击式水力空化萃取设备6，所述贮槽置于恒温水槽内，所述撞击式水力空化萃取设备（如图2所示）包括入口段Ⅰ61、入口段Ⅱ62以及依次连通的撞击混合段63、缩径段64、喉管段65、扩径段66和稳定段67，所述入口段Ⅰ、入口段Ⅱ和撞击混合段相互连通；入口段Ⅰ61、入口段Ⅱ62上分别安装有压力表Ⅰ7、压力表Ⅱ8。所述入口段Ⅰ61分别通过循环泵Ⅰ3和输入管道Ⅰ9与贮槽2上部连通，入口段Ⅱ62分别通过循环泵Ⅱ4和输入管道Ⅱ10与贮槽2下部连通，稳定段67通过输出管道与贮槽连通，所述加气泵5通过送气管道分别与输入管道Ⅰ9、输入管道Ⅱ10连通。
附表1：本发明撞击式水力空化萃取设备的几何参数一览表。
Figure 659283DEST_PATH_IMAGE001
附表1仅是本发明撞击式水力空化萃取设备具体尺寸的几种实施例，在实际应用过程中，可以根据实际情况进行适当的放大或缩小。
实施例1：利用附表1中序号3几何参数的撞击式水力空化萃取设备进行，将有机相和水相分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取；有机相和水相溶液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：（1）水相与有机相的体积比值为1；（2）有机相中萃取剂的浓度为2%;（3）水相溶液初始pH为3.5；（4）萃取时间为1～60 min；（5）入口压力为0.2 MPa；（6）萃取温度为：30℃；（7）加气泵的转速：60 r/min，并将此结果与常规搅拌萃取反应进行了比较，常规搅拌萃取中的工艺条件与实施例工艺条件中的第（1）、（2）、（3）、（4）、（6）相同，常规搅拌萃取中不另外通入空气。结果如附表2。
Figure DEST_PATH_IMAGE002
附表2显示，实施例1水力空化萃取在反应3 min时已接近萃取饱和状态，而常规搅拌萃取需在反应40 min时才接近萃取饱和状态，常规搅拌萃取较水力空化萃取达到萃取饱和的时间延长了近12倍。
实施例2：利用具有附表1中序号6几何参数的撞击式水力空化萃取设备进行，将有机相和水相分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取；有机相和水相溶液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：（1）水相与有机相的体积比值为1；（2）有机相中萃取剂的浓度为2%;（3）水相溶液初始pH为3.5；（4）萃取次数为两次，每次萃取时间为5 min（第一次萃取5 min后，有机相和水相分离，将分离得到的萃余相与相同浓度的新鲜萃取剂进行第二次萃取，萃取时间为5min）；（5）入口压力为0.25 MPa；（6）萃取温度为：30℃；（7）加气泵的转速：60 r/min。并将此结果与常规搅拌萃取反应进行了比较，常规搅拌萃取中的工艺条件与实施例工艺条件中的第（1）、（2）、（3）、（4）、（6）相同，常规搅拌萃取中不另外通入空气。结果如附表3。
Figure 779686DEST_PATH_IMAGE003
实施例3：利用具有附表1中序号2、3、4几何参数的撞击式水力空化萃取设备进行，将有机相和水相分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取；有机相和水相溶液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：（1）水相与有机相的体积比值为1；（2）有机相中萃取剂的浓度为2%;（3）水相溶液初始pH为3.5；（4）萃取时间为3 min；（5）入口压力为0.1 MPa；（6）萃取温度为：30℃；（7）加气泵的转速：80 r/min。并将此结果与常规搅拌萃取反应进行了比较，常规搅拌萃取中的工艺条件与实施例工艺条件中的第（1）、（2）、（3）、（4）、（6）相同，常规搅拌萃取中不另外通入空气。结果如附表4。
Figure DEST_PATH_IMAGE004
附表4显示，水力空化萃取时的喉管段直径对萃取过程有重要影响，缩小喉部直径，有利于萃取效率的提高，当喉管段直径从0.8 mm缩小到0.5 mm时，萃取效率提高了35.51%。喉管段直径为0.5mm时的水力空化萃取效率较常规搅拌萃取效率提高了92.23%。
实施例4：利用具有附表1中序号7几何参数的撞击式水力空化萃取设备进行，将有机相和水相分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取；有机相和水相溶液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：（1）水相与有机相的体积比值为1；（2）有机相中萃取剂的浓度为2%;（3）水相溶液初始pH为3.5；（4）萃取时间为5 min；（5）入口压力为0.2 MPa；（6）萃取温度为：30℃；（7）加气泵的转速：80 r/min。萃取率为80.51%。
实施例4对比例：加气泵不工作，即不通入气体，其他操作与实施例4相同，萃取率为62.92%，实施例4较该对比例的萃取效率提高了27.96%，说明引入气流能够强化萃取过程。
本发明各实施例中，输入的气体为空气，有机相是萃取剂P204，水相为含杂质的磷酸二氢铵溶液。作为一种变换，输入的气体还可以是氮气或氩气；萃取剂除了采用P204外，还可以采用萃取剂P507。

Claims (10)

1.一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：利用撞击式水力空化萃取设备（6）进行，所述撞击式水力空化萃取设备包括入口段Ⅰ（61）、入口段Ⅱ（62）以及依次连通的撞击混合段（63）、缩径段（64）、喉管段（65）、扩径段（66）和稳定段（67），所述入口段Ⅰ、入口段Ⅱ和撞击混合段相互连通；
该磷酸二氢铵中杂质离子的脱除方法是：将有机相萃取剂溶液和水相含杂质的磷酸二氢铵溶液分别预热到反应温度，经循环泵分别将有机相和水相料液输送到撞击式水力空化萃取设备的入口段Ⅰ、入口段Ⅱ，同时利用加气泵分别向有机相和水相料液中输入气体，通过调节循环泵的转速来控制***的压力，加气后的料液依次流经撞击混合段和缩径段，在喉管段末端和扩径段处产生的空化效应下获得强烈混合，传质过程发生，流体经稳定段回流至贮槽中进行循环萃取；
有机相和水相料液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～4；
（2）有机相中萃取剂的浓度为0.5～4%；
（3）水相溶液初始pH为1.5～4.5；
（4）萃取时间为1～60min；
（5）入口压力为0.05～0.5 MPa；
（6）萃取温度为20～70℃；
（7）加气泵的转速为10～150 r/min。
2.根据权利要求1所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：所述气体是空气、氮气或氩气。
3.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：喉管段直径D4为0.5～0.9 mm，喉管段长度L1为1.5～2.5 mm。
4.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：入口段Ⅰ与入口段Ⅱ之间的夹角γ为45°～180°。
5.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：入口段Ⅰ直径D1、入口段Ⅱ直径D2和混合段直径D3相等。
6.根据权利要求5所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：混合段直径D3与喉管段直径D4比值为5～12.5；稳定段直径D5与喉管段直径比值为6.7～15。
7.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：缩径段锥角α为20°～35°；扩径段锥角β为27°～45°。
8.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：有机相和水相料液在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～2；
（2）有机相中萃取剂的浓度为2～3%；
（3）水相溶液初始pH为2.5～3.5；
（4）萃取时间为2～15 min；
（5）入口压力为0. 1～0.3 MPa；
（6）萃取温度为30～50℃；
（7）加气泵的转速为60～80 r/min。
9.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：所述萃取剂是P204或P507。
10.根据权利要求1或2所述的一种利用水力空化强化脱除磷酸二氢铵中杂质离子的方法，其特征在于：进行二次萃取，即有机相和水相在撞击式水力空化萃取设备内进行循环萃取2-9min为第一次萃取，然后将有机相和水相分离，再将分离得到的萃余相与新鲜萃取剂进行第二次萃取，第二次萃取的方法与第一次萃取相同，萃余相与新鲜萃取剂在撞击式水力空化萃取设备内进行萃取的工艺条件是：
（1）水相与有机相的体积比值为0.5～4；
（2）有机相中萃取剂的浓度为0.5～4%；
（3）水相溶液初始pH为1.5～4.5；
（4）萃取时间为2～6min；
（5）入口压力为0.05～0.5 MPa；
（6）萃取温度为20～70℃；
（7）加气泵的转速为10～150 r/min。
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