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磷酸作为一种重要的化工原料,得到广泛的应用。在磷酸的生产过程中有毒元素砷很难除去。要得到高品质的磷酸或磷酸盐,必须对工业磷酸进行脱砷处理。
目前工业级磷酸脱砷大都采用化学沉淀法,该方法易引起二次污染,同时沉淀物为高价态的砷化物,仍具有较大毒性。电沉积法可以直接将磷酸中高价砷还原为无毒的单质砷,不添加额外的试剂,具有高效、环保、低耗、易测定、工艺过程易实现自动化等优点,目前得到广泛的研究。但由于电还原效率低下,需要控制AsH3的析出,该方法目前尚未实现工业化。因此,该工艺的研究重点集中在提高砷沉积的电还原效率,降低能耗。
由于增加磁场可以改善电化学过程,提高电流效率,本文中采用磁场增强下电沉积去除工业级磷酸中砷的方法,对工艺路线和参数进行了考察,得出以下结论:
1.磷酸中砷(Ⅴ)较砷(Ⅲ)的电活性差。在砷(Ⅲ)电还原为单质砷并不产生AsH3的电流密度范围内,砷(Ⅴ)几乎没有电化学活性。
2.比较铂片电极、铁片电极、铜片电极作为工作电极对工业磷酸中砷(Ⅲ)电沉积发现,在不产生AsH3的条件下,单位表面积上铜电极沉积单质砷最多。
3.研究结果表明:反应温度、磷酸中砷初始浓度、电流密度和极化时间等因素对工业磷酸中砷电沉积均有影响。砷沉积的最佳温度为80℃,在砷含量为10.92 ppm时,最佳电流密度为-0.038 mA/c㎡,控制电流密度在-0.044 mA/c㎡以内可以防止AsH3的生成;反应时间为9h,可以将磷酸中砷含量从10.92ppm降为0.47ppm,达到食品级的要求。推算出在砷(Ⅲ)浓度为50ppm的磷酸中,铜电极上的交换电流密度为i0=-6.324×10-7mA/c㎡。此电极过程为不可逆过程。
4.卤素离子C1-的加入活化了磷酸中砷(Ⅲ)的电还原过程。在相同的电流密度下,加入0.01mol/L的HC1,可以正向提高砷的极化电位,有利于降低能耗,但同时也正向提高了AsH3的析出电位。砷电沉积的电流效率没有明显的改变,但产生了大量的AsH3,同时对氢气的析出具有一定的抑制作用。
5.增加磁场装置后,当B//E,B=5500Gs时,砷电沉积的最佳电流密度从-0.038 mA/c㎡降到-0.028 mA/c㎡,下降了25%;单位面积上砷的沉积量从39.22μg/c㎡提高到45.26μg/c㎡,提高了15.4%。当B⊥E时,电流密度为-0.028 mA/c㎡时就有少量的AsH3产生,单质砷的沉积量也较少,甚至比无磁场作用下砷沉积量更少。电极上最大砷的沉积量:B⊥E<无磁场
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