磷酸铵镁的热解行为研究

2009年第7湖化学T程|装备2009年7月Chemical Engineering 段Equipaent磷酸铵镁的热解行为研究彭佳乐，周康根，姜科(湖南长沙中南大学冶金院，湖南长沙410083)摘要:为了明确磷酸铵镁的热解性能，考察了100C、200C、300C、400C 下磷酸铵镁热解过程中的氨氮释放韦和正磷酸根含量随时间的变化规律:考察了氢氧化镁与氢氧化钠对磷酸铵镁热解行为的影响，发现氢氧化镁能促进氨的释放并抑制正磷酸根向焦磷酸根转化:投加氢氧化钠可在正磷酸根不损失的前提下，使MAP中的氨氤释放率达到9%以上。关键词:磷酸铵镁;热解;氢氧化镁;氢氧化钠前言1.1主要试剂与材料氮是生物活动必需的营养元素之一，但是如果试剂: Na2HPO:12H2O ，MgCl26H2O ，水体中氮的含量太高又会造成环境污染。在我国水(NH)2SO4，NaOH, 以上均为分析纯。纳氏试体污染因素中氨氮是非常重要的污染物["2)。目前对剂9、 钼酸铵、钒酸铵0。模拟氨氦废水:用铵盐这类废水主要是通过生物法叫、化学沉淀法、吹脱加去离子水配制。法(、折点氯法')进行处理,各种方法均存在一定优1.2主要仪器:缺点。磷酸铵镁(MAP)化学沉淀法处理高浓度氨JB-3定时恒温磁力搅拌器，420酸度计，氮废[外叼，具有简单、快速、高效等优点，然而该VIS-7220可见光分光光度计，管式屯磁炉。法消耗大量磷盐和镁盐，造成反应成本高，以及磷1.3实验方法酸铵镁容易造成二次污染，一直以来都是限制该方1.3.1 MAP的制备及热解法实际应用的最重要因素。因此如何降低药剂消配制7200mg/L的(NH4)2SO4溶液，按N: P:耗，开发磷酸铵镁的回用和综合利用技术，对于磷Mg=1: 1: 1,顺次将NazHPO;:12H2O和MgClr6H2O酸铵镁沉淀法在实际工程中的应用具有重要意义。加入IL该溶液中(待前一药剂全部溶解后再加入后磷酸铵镁在不同温度下发生热分解反应，其分一药剂)， 用5mol/L NaOH稳定废水pH值为9"。解产物可循环用于氨氮的吸附，是降低药剂消耗的20C下磁力搅拌20分钟后过滤，将得到的固相沉淀可能途径。根据分解温度的不同，磷酸铵镁可分解物洗涤后，在干燥箱中于40C卜下干燥48小时，产物成不同的产物，包括:Mg3(PO4): MgHPO4 和充分研磨后密封保存，即得到MAP。将制得的MAPMg2P2O7. Mg3(PO)2、 MgHPO4 和MgzP:Oy对废水置于管式电磁炉中，在特定热解温度下热解3小时，中氨氨的吸附能力不同, Shigeru Sugiyama等同研究取其热解产物， 分析产物中的氨氮含量和正磷酸根表明以上这三种物质去除氨氮能力为:含量。MgHPO, > Mg,(PO,)2 > Mg;RO.因此，如何提高1.3.2 Mg(OH)2对热解效率的影响利用NazHPO:12H2O和MgCl2:6H2O按N: P:热解时磷酸氨镁中氨的释放率，而又不影响其热解Mg=2: 2: 3制备成MAP: Mg(OH)2=2: 1的混合产物对氨氮的吸附效果是解决磷酸氨镁化学沉淀物，制备步骤同前。将此混合物置于管式电磁炉中,法的关键内容。本文针对此难题，对磷酸铵镁的热在特定热解温度下热解3小时，取其热解产物，分解行为展开研究，以求通过实现磷酸铵镁热解放氨析产物中的氨氮含斌和正磷酸根含量。后，可作为氨氮吸附剂实现循环利用。1.3.3 NaOH对脱氨效率的影响1实验部分在以Mg;(POJ)z 为主体的热解产物(MAP:2彭佳乐:磷酸铵饫的热解行为研究Mg(OH)=2:1的混合物于100C卜F热解3小时)中，21.1热解温度对氨氮科放率的影响加入一定量的NaOH溶液，继续置T 100"C继续热分别控制热解温度为100C， 200C，300C,解3小时，分析产物中的氨氮含敏。400C，于不同热解时间测其氨氮释放率，如图|2结果与讨论所示。随着热解温度的升高，氨氨释放率不断提高，2.1 MAP的热分解温度升高至300C时，氨氮释放率可达到90%以上，利用口制MAP在管式屯磁炉在不同温度卜热继续升温氨氮科放效果则没有明显变化。且氦氮在解，可将MAP中的氨脱除，如反应(1)。1-60min科放速度最快，热解180min后，不再释放MgNH,PO. .6H20= MgIHPO, +6H:O↑+NH2↑(1)氨氮。为兼顾氨氮释放效果和能源节约选定最佳热解温度为300C，最佳热解时间为180min.一一10C”100T。.国加220热解时间an200朽朝时同min断热幅疆度咐氨 氨野放事的影响围2热解温度对周 酸盐含最的影响2.1.2热解温度对磷酸盐含量的影响2.2 Mg(OH)对热解效率的影响分别控制热解温度为100C ( 100C时正磷酸将NH4)SO4、Na;HPO; 12H20和MgCl:6H20根含量不变化) 200C，300C， 400C， 于不同时按N: P: Mg=2: 2: 3混合，可按反应(3)生成间测其正磷酸根含量，如图2所示。可看出随着MAP: .Mg(OH)=2:1 的混合物，将其置于100C下MAP中氨氮的释放，热解温度超过100C时，其中. 热解3小时，又按反应(4)生成以Mg3(PO4)为主的正磷酸盐开始逐渐分解，转化为焦磷酸盐，如反体的混合物。测其氨氮释放率和正磷酸根含量，并.应(2)。表1更直观的反应了氨氮释放效果和正磷与相同条件下无Mg(OH)2的热解行为相比较，结果酸根剩余量的关系，看到氨氮释放率达到90%以上如图3所示。Mg(OH)2 的存在促进了氨氮的释放，后，剩余正磷酸根已不到总磷的40%。其中100C时可提高氨氮释放率8%,氨氮释放率的2MgHPO, = Mg,P2O, +H2O(2)变化规律同无Mg(OH)时-致，随温度升高而增大。正磷酸根变化如图4所示，Mg(OH)2 的存在具表I氨释放率与正磷酸根含量的关系有限制正磷酸根损失的作用，对本研究同样有利。热解温度100300400并且可以看到，正磷酸根仍然在超过100个C时开始氨释放率%52.7791294.6分解。正磷酸根/总磷0.50.35 0.2612NH,* + 2HPO + 3Mg2* + 60H = 2MgNH,PO, + Mg(OH)2 +2H2O (3)2MgNH。PO, + Mg(OH): = Mg,(PO,)2 + NH,↑+H2O↑(4)彭佳乐:磷酸铵镁的热解行为研究3-有kg(010.无0l(00aa5热邮机度/亡:郾如彻D,对驾 氟释放效果的影响團4 I(0D)对正确 酸根的影响表2NaOH投加量对氨氮脱除率影响NaOH投加量/mL00.50.82NaOH/N (摩尔比)0.711.141.422.867.1421.42氨氮含量/mg12.84.6.7.2.42.0氨氮脱除事/%64.171.182.896.910084.42.3 NaOH对脱氨效率的影响盐, MAP热分解形成的产物MHP,可重新处理氨氮由图3和图4以看出，在正磷酸根不损失的前废水21,热分解产生的氨气可回收高浓度的氨水，提下，MAP: Mg(OH)=2: 1 的混合物最大脱氨效有可能成为- -种经济有 效的氨氮废水处理方法。率只能达到60% (热解温度=100"C时)，为近-步提高脱氨效率，利用碱性环境利于NHs释放的原参考文献理，采用投加NaOH( lmol/L)提高脱氨效率。NaOH投加量对脱氨效果的影响如表2所示。随着NaOH[I] Lee G F and Jones R A.The North American投加量的增加，可是脱氨率达到100%， 但NaOHexperience in eutrophication control through过量太多反而不利用脱氨。phosphorus management: Proceeding of the3结论Intermational Conference on Phosphate[], Water利用MAP化学沉淀法(N:P:Mg=l:1:I) 生成and Quality of Life. Paris: France, 1988了MgNH4PO:6H2O (MAP) 。研究了热解时间、[2]陈志恺. 21世纪中国水资源持续开发利用问题.温度、环境(碱性)对MAP热分解产物的影响。随中国工程科学[J].2000; 2 (3); 7-11着热解温度的升高，MAP的氨释放率逐渐提高，[3] Rasouli-Kenari H, Srrafzadeh M H, Mehmia M,300C条件下热解180min,氨氮释放率可达到90%Factors affecting the biological nitrogen removal以上。继续升温和延长热解时间，放氨效果变化甚fromwastewaterinsimultaneous微;正磷酸根在热解温度高于100C时开始向焦磷nitrification- denitrification process. Jourmal of酸根转化;投加氢氧化镁可以促进氨氮脱除并抑制Biotechnology[J], 2008, 136:670-671.正磷酸根向焦磷酸根转化，其中100C时可提高氨[4] Bonmati A, Flotats X, Air stipping of ammonia氮释放率8%;投加氢氧化钠可保证MAP中正磷酸from pig slurry: characterisation and feasibility as根不损失的前提下，氨氮完全脱除，有利于MAP热a pre- or post-treatment to mesophilic anaerobic解产物对氨氮的再-次吸附。digestion. Waste Management[J]， 23(3), 2003,在不损失磷酸根的情况下，即不形成焦磷酸261-272.