磷矿作为一种重要的战略性资源,主要被用于生产磷酸及磷肥。我国磷矿资源富少贫多,杂质含量较高,常伴生有大量的Fe、Al、Mg等金属元素以及Pb、As等有毒痕量重金属元素。在湿法磷酸工艺制磷酸及磷肥时,这些金属元素会随着磷矿的逐渐分解进入到磷酸溶液及磷肥产品中,给工艺生产和产品品质带来严重影响。磷酸分解磷矿是湿法磷酸工艺生产中的一个重要反应过程,本文探究了磷酸分解磷矿过程中P及金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As的浸出规律情况,为湿法磷酸工艺中P的高效利用以及有效阻止金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As进入溶液中提供理论指导。(1)探究了磷酸分解磷矿过程中主要酸解工艺参数对磷矿中P及金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As的浸出规律影响。结果表明:磷矿中P及金属元素Fe、Al、Mg浸出率随磷酸浓度、反应温度、反应时间和液固比的增大而增大,搅拌速度影响不明显;金属元素Pb浸出率随磷酸浓度、反应温度和液固比的增大而增大,搅拌速度和反应时间影响不明显;金属元素As浸出率随反应温度增大呈先增大后减小趋势,随反应时间增加略有减小,磷酸浓度、搅拌速度和液固比对As的浸出影响不明显。控制磷酸浓度30%P₂O₅、反应温度80℃、搅拌速度300r/min、反应时间150min、液固比10:1条件下,P浸出率98.65%,金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As浸出率分别为68.56%、48.54%、95.84%、32.85%、84.62%。通过响应曲面实验优化分析表明,各酸解工艺参数对P浸出率的影响显著性大小为:磷酸浓度>液固比>反应温度,最佳实验条件为磷酸浓度30%P₂O₅、反应时间150min、液固比10:1,该条件下P浸出率的平均值为98.62%,与预测值十分接近,说明该模型是可信的,可以用于实验的预测及优化。(2)通过对磷酸分解磷矿过程中金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As可能发生的化学反应进行了热力学以及Eh-p H图分析,结果表明:溶液中的Fe离子主要来源于磷矿中被磷酸第一氢离子分解的褐铁矿,溶液中的Al离子主要来源于磷矿中被磷酸第一氢离子或溶液中游离氢离子分解的高岭土,同时溶液中的Fe、Al离子可能会有少量以Fe PO₄、Al As O₄等沉淀析出;而磷矿中金属元素Mg几乎全部被磷酸的第一氢离子或溶液中游离的氢离子分解进入到溶液中,并以Mg²⁺形式稳定存在;磷矿中金属元素Pb主要以残渣态形式存在,且溶液中的Pb²⁺可能与PO₄^3-反应生成Pb₃(PO₄)₂固化出来,所以铅的浸出率较低;磷矿中金属元素As极易被溶液中的Fe³⁺和O₂氧化释放出来,并以H₃As O₄、H₃As O₃和HAs O₃^-形式存在溶液中,而部分H₃As O₄可能与Al等金属离子反应生成砷酸盐沉淀,影响As浸出率的计算。(3)探究了磷硫混酸分解磷矿过程中主要酸解工艺参数对磷矿中P浸出率的影响,并采用正交实验优化,结果表明:在考察范围内,各因素对P浸出率的影响顺序大小为:磷酸浓度>液固比>液相SO₃浓度>反应时间。正交实验设计得到较优酸解条件液固比3:1、反应时间5h、液相SO₃浓度30~35g/L、磷酸浓度24%P₂O₅,取反应温度80℃,在此条件下,磷矿中P浸出率在98%以上。并通过对磷硫混酸分解磷矿过程中SO₄^2-可能发生的化学反应进行热力学以及Eh-p H图分析,结果表明:磷硫混酸分解磷矿体系中,金属元素Fe、Al、Mg、Pb、As的分布可能主要是受到溶液中活化氢离子浓度和磷酸浓度的影响,而与溶液中硫酸根离子浓度可能没有直接影响关系。