Способ удаления фосфора из шлама
Описан способ выделения элементного фосфора из водного шлама, содержащего приблизительно от 1 до приблизительно 15 масс.% диспергированного фосфора. К шламу добавляют приблизительно от 1 до приблизительно 20 масс.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, фосфатной соли, которая имеет общую формулу,
где R представляет щелочной металл или аммоний и n равно число от 0 до 30. В качестве фосфатной соли используют триполифосфат натрия, тетранатрийпирофосфат или гексаметафосфат натрия. Фосфор в шламе плавят и твердые компоненты в шламе отделяют от жидкого фосфора и воды. Жидкий фосфор затем отделяют от воды. Выделенный фосфор имеет чистоту более чем 99% при высокой степени извлечения его из шлама. 3 н. и 17 з.п. ф-лы, 1 табл.
Данное изобретение относится к способу выделения фосфора из содержащего фосфор шлама. В частности, оно относится к обработке упомянутого шлама фосфатной солью, которая при дальнейшей обработке заставляет частицы фосфора коалесцировать в отдельную фазу фосфора.
Шлам производства фосфора может содержать небольшие количества частиц фосфора и загрязнения, диспергированных в водной фазе. Фосфор должен быть удален из шлама как по экономическим причинам, так и по причинам защиты окружающей среды. Фосфор не может быть выделен из шлама фильтрованием, поскольку большая часть подвергнутого фильтрованию фосфора остается диспергированной в воде. Фосфор может быть выделен из указанного шлама нагреванием шлама в отсутствии воздуха для выпаривания воды, но данный способ является неэкономичным. Различные вещества могут быть добавлены к шламу, чтобы заставить частицы фосфора коалесцировать, но до настоящего времени это было не очень эффективным.
В соответствии с одним аспектом данного изобретения, предложен способ выделения элементного фосфора из водного шлама, содержащего приблизительно от 1 до приблизительно 15 масс.% диспергированного фосфора, включающий
(а) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 масс.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, фосфатной соли, которая имеет общую формулу
где R представляет щелочной металл или аммоний и n равно числу от 0 до 30;
(b) плавление фосфора в указанном шламе;
(c) отделение жидкого фосфора и воды от твердых компонентов в указанном шламе и
(d) отделение жидкого фосфора от воды.
Указанные диспергированные частицы фосфора, предпочтительно, являются слишком мелкими, чтобы осаждаться.
R, предпочтительно, представляет натрий и, таким образом, фосфатная соль может быть триполифосфатом натрия или тетранатрийпирофосфатом, или гексаметафосфатом натрия.
В альтернативном случае R переставляет калий.
Удобно, когда n равно числу от 0 до 12.
Выгодно, когда шлам нагревают до температуры приблизительно от 50 до приблизительно 70°С для плавления указанного фосфора.
Удобно, когда жидкий фосфор и воду отделяют от указанного шлама фильтрованием или центрифугированием, или стеканием под действием силы тяжести.
Изобретение предлагает также способ обработки водного шлама, в котором диспергировано приблизительно от 5 до приблизительно 10 масс.% частиц элементного фосфора, включающий
(1) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 масс.%, считая на массу присутствующего в указанном шламе фосфора, триполифосфата натрия, тетранатрийпирофосфата или гексаметафосфата натрия;
(2) нагревание указанного шлама до температуры, выше точки плавления указанного фосфора, посредством чего указанный фосфор плавится;
(3) фильтрование указанного шлама для отделения жидкого фосфора и воды от твердых компонентов и
(4) отделение указанного жидкого фосфора от воды.
В данном варианте осуществления изобретения фосфатной солью может быть триполифосфат натрия или тетранатрийпирофосфат или гексаметафосфат натрия. Предпочтительное количество добавки составляет между приблизительно 2 и приблизительно 10 масс.%.
Изобретение предлагает также способ выделения элементного фосфора из шлама, содержащего приблизительно от 5 до приблизительно 10 масс.% диспергированных, покрытых примесями частиц фосфора, имеющих слишком маленький размер, чтобы осаждаться, включающий
(1) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 масс.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, гексаметафосфата натрия;
(2) нагревание указанного шлама приблизительно до температуры от 50 до приблизительно 70°С;
(3) фильтрование указанного шлама для отделения твердых частиц в нем от жидкого фосфора и воды и
(4) отделение жидкого фосфора от воды.
Жидкий фосфор можно отделить от воды стеканием под действием силы тяжести, и количество добавленного гексаметафосфата составляет приблизительно от 2 до приблизительно 10 масс.%.
Добавление некоторых фосфатных солей к нагретому водному, содержащему фосфор, шламу с последующим фильтрованием заставляет диспергированные частицы фосфора коалесцировать и образовывать непрерывный слой фосфора. Фосфор можно затем легко отделить и выделить в качестве ценного продукта.
Данный способ является способом с наименьшими затратами для выделения фосфора в качестве ценного продукта из шлама и для превращения шлама в инертные, неопасные отходы для ликвидации.
Данное изобретение является пригодным для водных шламов, содержащих диспергированные частицы фосфора в качестве дисперсной фазы. Количество фосфора в шламе должно быть, по меньшей мере, приблизительно 1 масс.% (считая на массу шлама), поскольку обработка шламов, содержащих меньше фосфора, способом данного изобретения обычно является неэкономичной. Шламы, которые содержат более чем приблизительно 15 масс.% фосфора и имеют дисперсную фазу фосфора, обычно обрабатывают более экономично другими способами. Шлам, предпочтительно, содержит приблизительно от 5 до приблизительно 10 масс.% фосфора. Фосфор присутствует в виде диспергированных в воде частиц P4, которые являются слишком маленькими, чтобы легко осаждаться. Частицы «примеси» и других заряженных примесей могут поддерживать частицы фосфора в суспензии и предотвращать их агломерацию. «Примесью» является смесь различных веществ, таких как кокс, песок, фосфатный камень и т.д.
Водный шлам помещают в танк и к нему добавляют фосфатную соль, которая имеет общую формулу
где R представляет щелочной металл или аммоний и n равно числу от 0 до 30. Предпочтительно, n равно числу от 0 до 12 и R представляет натрий или калий, когда многие из этих солей являются коммерчески доступными; натриевые соли являются наиболее предпочтительными, поскольку они являются менее дорогими. Многие из фосфатных солей являются коммерчески доступными и фосфаты, которые не могут быть получены с использованием способов, аналогичных этим способам, используют для получения коммерчески доступных фосфатных солей.
Предпочтительными фосфатными солями являются триполифосфат натрия (STPP), тетранатрийпирофосфат (TSPP), которые имеют соответствующие формулы:
Другой предпочтительной солью является гексаметафосфат натрия (SHMP). Он является коммерчески доступным.
Указанные фосфатные соли являются предпочтительными, поскольку, как было обнаружено, они хорошо действуют и являются коммерчески доступными.
Количество фосфатной соли, добавленной к шламу, должно быть приблизительно от 1 до приблизительно 20 масс.%, считая на массу фосфора в шламе, поскольку меньшее количество является не очень эффективным, а большее количество обычно является ненужным и не приносит дополнительную выгоду; предпочтительно, добавляют приблизительно от 2 до приблизительно 10 масс.% фосфатной соли.
До или после добавления фосфатной соли шлам нагревают до температуры выше точки плавления фосфора, 44,1°С, предпочтительно, его нагревают до температуры приблизительно от 50 до приблизительно 70°С. Предпочтительным является перемешивание его в течение приблизительно от 5 до приблизительно 60 минут при нагревании. Шлам затем фильтруют, предпочтительно, при давлении приблизительно от 68,94 до 689,47 кN/м2 (от 10 до приблизительно 100 фунтов/кв. дюйм), или его можно центрифугировать. Вода и жидкий фосфор в водной фазе проходят через фильтр в виде фильтрата, а примеси образуют фильтровальную лепешку. Отфильтрованные или центрифугированные частицы фосфора агломерируют или коалесцируют в водной фазе и погружаются на дно танка, образуя жидкую фазу фосфора. Указанную фазу фосфора можно легко отделить от водной фазы стеканием под действием силы тяжести, откачиванием ее, декантацией воды или другими способами. Способ можно проводить непрерывно или шлам можно применять в виде порций.
Следующие примеры дополнительно иллюстрируют данное изобретение.
Пример 1
В ряде экспериментов шлам P4 (100 г) загружают в колбу на один литр, снабженную мешалкой из нержавеющей стали, имеющей мотор с регулируемой скоростью вращения. Колбу помещают в большую водяную баню из стекла пирекс, которую нагревают погруженным нагревателем до температуры от 65 до 70°С. После того, как содержимое колбы достигнет 60°С, такую температуры сохраняют, добавляют добавку и смесь перемешивают. После перемешивания содержимое колбы центрифугируют или фильтруют при поддержании его при температуре, выше точки плавления фосфора. Примесь в шламе образует фильтровальную лепешку и фильтрат из фосфора и воды разделяется на водную фазу в верхней части и фазу фосфора на дне. Фосфор выделяют после декантации водной фазы. Собранный фосфор и фильтровальную лепешку, взвешивают и анализируют для определения их состава. Выделенный фосфор имеет чистоту более чем 99%. Результаты приведены в следующей таблице.
| Пример | Шлам | Добавка | Перемешивание | Фосфор | Фильтровальная лепешка | ||||||
| % Р | % примеси | Наименование | Macc.% от массы фосфора в шламе | Скорость перем., об/мин | Время, мин. | Исходное содержание (г) | Выделено, масс.%, | Исходное содержание (г) | % Р | % примеси | |
| 1 | 9,7 | 26,6 | нет | 0 | 0 | 60 | 3,5 | 36 | 53,7 | 10,3 | 46,6 |
| 2 | 9,6 | 25,9 | нет | 0 | 200 | 60 | 2,6 | 27 | 51,7 | 9,6 | 43,8 |
| 3a | 9,5 | 26,1 | SHMP | 4 | 100 | 5 | 4,8 | 51 | 51,6 | 8,7 | 50,5 |
| 4b | 10,6 | 30,4 | SHMP | 9 | 56 | 60 | 5,6 | 53 | 60,8 | 7,7 | 48,6 |
| 5a | 9,7 | 26,2 | SHMP | 9 | 100 | 5 | 5,5 | 57 | 51,9 | 6,9 | 49,9 |
| 6c | 9,6 | 25,8 | SHMP | 11 | 200 | 60 | 4,6 | 48 | 52,8 | 8,8 | 48,6 |
| 7 | 9,8 | 26,8 | SHMP | 18 | 0 | 0 | 5,6 | 57 | 50,9 | 6,4 | 52,1 |
| 8d | 9,9 | 29,1 | SHMP | 15 | 56 | 60 | 6,5 | 66 | 56,5 | 4,7 | 49,7 |
| 9 | 10,2 | 27,0 | SHMP | 17 | 100 | 5 | 5,9 | 58 | 51,3 | 7,0 | 52,1 |
| 10 | 9,7 | 27,1 | SHMP | 18 | 100 | 15 | 5,6 | 58 | 53,9 | 6,3 | 50,0 |
| 11 | 9,6 | 26,7 | SHMP | 18 | 100 | 30 | 5,6 | 58 | 52,6 | 6,6 | 50,6 |
| 12 | 9,7 | 27,0 | SHMP | 16 | 100 | 60 | 6,3 | 65 | 49,7 | 5,3 | 52,2 |
| 13 | 8,9 | 24,8 | SHMP | 19 | 200 | 60 | 5,2 | 58 | 48,5 | 7,5 | 48,5 |
| 14 | 9,9 | 28,9 | SHMP | 23 | 56 | 60 | 6,5 | 66 | 56,0 | 5,7 | 51,2 |
| 15 | 15,2 | 31,1 | SHMP | 9 | 56 | 60 | 11,7 | 84 | 56,3 | 6,2 | 47,8 |
| 16 | 15,2 | 31,1 | SHMP | 14 | 56 | 60 | 10,8 | 71 | 48,8 | 6,3 | 61,7 |
| 17е | 10,8 | 27,0 | STPP | 17 | 100 | 30 | 5,9 | 55 | 50,7 | 7,9 | 53,1 |
| 18е | 10,2 | 26,7 | TSPP | 16 | 100 | 30 | 6,1 | 60 | 53,7 | 5,9 | 46,1 |
| 19 | 9,7 | 26,4 | TSPP/-SHMP | 9/9 | 100 | 5 | 5,6 | 58 | 52,7 | 7,8 | 54,0 |
| 20 | 10,4 | 26,6 | STPP/SHMP | 10/10 | 100 | 5 | 5,2 | 50 | 53,1 | 7,1 | 49,9 |
| 21 | 15,2 | 31,1 | CrO3 | 20 | 56 | 60 | 5,1 | 34 | 62,4 | 11,2 | 48,9 |
| 22 | 15,2 | 31,1 | 30% Н2O2 | 83 | 56 | 60 | 4,1 | 27 | 56,5 | 15,1 | 47,1 |
| a = среднее значение 3 опытов, d = среднее значение 4 опытов, b = среднее значение 5 опытов, е = меньше коалесценции; приблизительно половина отфильтрованного фосфора состоит из отдельных гранул с = среднее значение 2 опытов, |
1. Способ выделения элементного фосфора из водного шлама, содержащего приблизительно от 1 до приблизительно 15 мас.% диспергированного фосфора, включающий
(а) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 мас.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, фосфатной соли, которая имеет общую формулу
где R представляет щелочной металл или аммоний и n равно числу от 0 до 30,
(b) плавление фосфора в указанном шламе,
(c) отделение жидкого фосфора и воды от твердых компонентов в указанном шламе и
(d) отделение жидкого фосфора от воды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанные диспергированные частицы фосфора имеют слишком малый размер для осаждения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что R представляет натрий.
4. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанной фосфатной солью является триполифосфат натрия.
5. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный фосфатной солью является тетранатрийпирофосфат.
6. Способ по п.3, отличающийся тем, что указанный фосфатной солью является гексаметафосфат натрия.
7. Способ по п.1, отличающийся тем, что R представляет калий.
8. Способ по п.1, отличающийся тем, что n равно числу от 0 до 12.
9. Способ по п.1, отличающийся тем, что указанный шлам нагревают до температуры приблизительно от 50 до приблизительно 70°С для плавления указанного фосфора.
10. Способ по любому из предыдущих пунктов, отличающийся тем, что жидкий фосфор и воду отделяют от указанного шлама фильтрованием.
11. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что жидкий фосфор и воду отделяют от указанного шлама центрифугированием.
12. Способ по любому из пп.1-9, отличающийся тем, что жидкий фосфор отделяют от воды стеканием под действием силы тяжести.
13. Способ обработки водного шлама, в котором диспергировано приблизительно от 5 до приблизительно 10 мас.% частиц элементного фосфора, включающий
(1) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 мас.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, триполифосфата натрия, тетранатрийпирофосфата или гексаметафосфата натрия,
(2) нагревание указанного шлама до температуры, выше точки плавления указанного фосфора, посредством чего указанный фосфор плавится,
(3) фильтрование указанного шлама для отделения жидкого фосфора и воды от твердых компонентов и
(4) отделение указанного жидкого фосфора от воды.
14. Способ по п.13, отличающийся тем, что указанная фосфатная соль является триполифосфатом натрия.
15. Способ по п.13, отличающийся тем, что указанная фосфатная соль является тетранатрийпирофосфатом.
16. Способ по п.13, отличающийся тем, что указанная фосфатная соль является гексаметафосфатом натрия.
17. Способ по п.13, отличающийся тем, что количество указанного добавленного триполифосфата натрия, тетранатрийпирофосфата или гексаметафосфата натрия составляет приблизительно от 2 до приблизительно 10 мас.%, считая на массу фосфора, присутствующего в шламе.
18. Способ выделения элементного фосфора из шлама, содержащего приблизительно от 5 до приблизительно 10 мас.% диспергированных, покрытых примесью частиц фосфора, имеющих слишком малый размер для осаждения, включающий
(1) добавление к указанному шламу приблизительно от 1 до приблизительно 20 мас.%, считая на массу фосфора, присутствующего в указанном шламе, гексаметафосфата натрия,
(2) нагревание указанного шлама приблизительно от 50 до приблизительно 70°С,
(3) фильтрование указанного шлама для отделения твердых компонентов в нем от жидкого фосфора и воды и
(4) отделение жидкого фосфора от воды.
19. Способ по п.18, отличающийся тем, что жидкий фосфор отделяют от воды стеканием под действием силы тяжести.
20. Способ по п.18, отличающийся тем, что количество указанного добавленного гексаметафосфата натрия составляет приблизительно от 2 до приблизительно 10 мас.%, считая на массу фосфора, присутствующего в шламе.
