一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺

技术领域

本发明涉及磷酸净化处理技术领域，具体涉及一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺。

背景技术

随着我国溶剂萃取净化湿法磷酸生产技术的日趋成熟，溶剂萃取法净化湿法磷酸的技术核心是将杂质含量较高的湿法磷酸通过有机溶剂萃取分离得到工业级磷酸，其中湿法磷酸溶剂萃取净化的P

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，对萃余酸浓缩液具有良好的净化效果，金属阳离子(铁、镁、铝等)去除率高于75％，磷回收率达70％以上。

为实现上述目的，本发明通过如下技术方案实现：

一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

S1、使用萃余酸浓缩液对咖啡渣进行浸泡改性，得到改性咖啡渣；

S2、对改性咖啡渣进行高温烧结，得到炭化咖啡渣；

S3、洗涤炭化咖啡渣，得到含磷洗涤液，实现磷元素的回收。

由于萃余酸浓缩液中含有大量金属阳离子和磷酸，改性前的原生生物质炭对一些金属阳离子的吸附能力低甚至不吸附，本申请中，首先使用萃余酸浓缩液对咖啡渣进行浸泡改性，随着磷酸浸渍浸泡，生物炭由无序微介孔结构逐步向晶体结构过度，制备的生物质炭材料表面形成羟基、大共轭烯体系等官能团，为相关物质的吸附提供了可能性；随后高温烧结改性后的生物炭，经高温烧结后的炭化咖啡渣中形成高孔隙率、大比表面积，使萃余酸浓缩液中的金属杂质离子更易附着；高温烧结后H

吸附性阴离子能够与咖啡渣有机物质分子紧密吸附，并与金属阳离子形成络合，提高对金属离子的吸附稳定性，从而保证洗涤过程中更多的磷元素得到回收。为提高磷回收率，优选的，步骤S1中还包括向萃余酸浓缩液中加入吸附性阴离子。优选的，吸附性阴离子包括I

优选的，步骤S1中萃余酸浓缩液和咖啡渣的用量比为(30～80ml)：(20～40g)；浸泡时间为2～3h。

优选的，步骤S2进行高温烧结前还包括依次对改性咖啡渣进行压制成型和干燥处理；干燥处理的温度为150～200℃，干燥时间为24～48h。

优选的，步骤S2中高温烧结条件为：在惰性气体下，升温速率为10～15℃/min，烧结温度为600～650℃；烧结时间为1～1.5h。

优选的，步骤S3中利用纯水洗涤炭化咖啡渣，直至洗涤液呈中性。

优选的，步骤S3中纯水与炭化咖啡渣的用量比为(80～100ml)：20g。

优选的，该工艺还包括将步骤S3中经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

上述工艺中，将炭化咖啡渣洗涤得到含磷洗涤液后，由于该炭化咖啡渣经磷酸改性、焙烧后获得，具有高比表面积、良好的热稳定性和丰富的官能团，且含大量金属阳离子和部分磷元素，经烘干后可作为高效活性炭吸附剂和低养分磷酸一铵(MAP)肥料。因此，本发明还提供一种由上述利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺制备得到的炭化咖啡渣作为高效活性炭吸附剂和/或磷酸一铵肥料的应用。

本发明的有益效果是：

1、本发明针对现有萃余酸浓缩液中含有大量富集的金属杂质离子，对浓缩液中磷元素的回收利用造成较大的工艺难度，提出一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，首先利用萃余酸浓缩液中的磷酸对咖啡渣进行改性处理，咖啡渣生物炭由无序微介孔结构逐步向晶体结构过度，使得咖啡渣表面含丰富的官能团，为相关物质的吸附和磷元素的回收提供了先决条件；经高温烧结后的炭化咖啡渣具有高比表面积、良好的热稳定性和丰富的官能团，使得部分磷酸根和特性阴离子能与炭化咖啡渣有机物质分子联合吸附，从而保证其结合金属阳离子并与咖啡渣表面紧密吸附，尤其对铁、镁、铝等金属阳离子吸附效果较好，实现了萃余酸浓缩液中磷元素和金属阳离子有效分离。

2、本发明对萃余酸浓缩液具有良好的净化效果，金属阳离子(铁、镁、铝等)去除率达75％以上，磷回收率达70％以上。

3、本发明经洗涤后得到的炭化咖啡渣孔隙率达55％～60％，比表面积高于900m

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例的附图作简单地介绍。

图1为本发明一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺流程图；

图2为本发明实施例1炭化咖啡渣SEM图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，均属于本发明保护的范围。

请参阅图1，本发明一种利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

S1、使用萃余酸浓缩液浸泡咖啡渣，每20～40g咖啡渣所需浓缩液30～80ml，浸泡时间为2～3h，得到改性咖啡渣；

S2、对改性咖啡渣进行压制成型和干燥处理，干燥处理的温度为150～200℃，干燥时间为24～48h。然后在惰性气体下，升温速率为10～15℃/min，烧结温度为600～650℃，烧结时间为1～1.5h的条件下高温烧结干燥后的改性咖啡渣，得到炭化咖啡渣；

S3、利用纯水洗涤炭化咖啡渣，直至洗涤液呈中性，得到含磷洗涤液，实现磷元素的回收。

在一些实施方式中，步骤S1中还包括向萃余酸浓缩液中加入包括但不限于I

为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，以下以具体实施例进行阐述。应当理解这些实施例仅用于说明性目的并且不应被理解为以任何方式限制本发明。

以下实施例所使用的萃余酸浓缩液原液由云南天安化工有限公司膜净化处理现场生产提供，浓缩液为纳滤浓缩液，纳滤膜孔径1nm。

实施例1

本实施例利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

(1)取膜过滤后的萃余酸浓缩液100ml与40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间2h，放入模具中压制成型，后在150℃烘箱内干燥24h，制得改性咖啡渣；

(2)将干燥后的改性咖啡渣放入管式炉中，在氩气条件下，600℃高温炭化烧结1h，升温速率为10℃/min，制得炭化咖啡渣；

(3)取炭化咖啡渣20g，使用80ml纯水洗涤，至最后洗涤液为中性，随后将洗涤液在120℃条件下油浴浓缩至50ml，得到回收后的磷酸样品，并将经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

实施例2

本实施例利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

(1)取膜过滤后的萃余酸浓缩液100ml与40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间3h，放入模具中压制成型，后在200℃烘箱内干燥24h，制得改性咖啡渣；

(2)将干燥后的改性咖啡渣放入管式炉中，在氩气条件下，650℃高温炭化烧结1.5h，升温速率为10℃/min，制得炭化咖啡渣；

(3)取炭化咖啡渣20g，使用100ml纯水洗涤，至最后洗涤液为中性，随后将洗涤液在120℃条件下油浴浓缩至50ml，得到回收后的磷酸样品，并将经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

实施例3

本实施例利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

(1)取膜过滤后的萃余酸浓缩液100ml与40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间3h，放入模具中压制成型，后在180℃烘箱内干燥24h，制得改性咖啡渣；

(2)将干燥后的改性咖啡渣放入管式炉中，在氩气条件下，650℃高温炭化烧结1.5h，升温速率为15℃/min，制得炭化咖啡渣；

(3)取炭化咖啡渣20g，使用100ml纯水洗涤，至最后洗涤液为中性，随后将洗涤液在120℃条件下油浴浓缩至50ml，得到回收后的磷酸样品，并将经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

实施例4

本实施例利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

(1)取膜过滤后的萃余酸浓缩液100ml与40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间2h，放入模具中压制成型，后在150℃烘箱内干燥48h，制得改性咖啡渣；

(2)将干燥后的改性咖啡渣放入管式炉中，在氩气条件下，630℃高温炭化烧结1.2h，升温速率为10℃/min，制得炭化咖啡渣；

(3)取炭化咖啡渣20g，使用100ml纯水洗涤，至最后洗涤液为中性，随后将洗涤液在120℃条件下油浴浓缩至50ml，得到回收后的磷酸样品，并将经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

实施例5

本实施例利用咖啡渣回收萃余酸浓缩液磷元素的工艺，包括以下步骤：

(1)将膜过滤后的萃余酸浓缩液浓缩3倍，将浓缩后的萃余酸浓缩液约33.3ml与40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间2h，放入模具中，后在150℃烘箱内干燥24h，制得改性咖啡渣；

(2)将干燥后的改性咖啡渣放入管式炉中，在氩气条件下，600℃高温炭化烧结1h，升温速率为10℃/min，制得炭化咖啡渣；

(3)取炭化咖啡渣20g，使用80ml纯水洗涤，至最后洗涤液为中性，随后将洗涤液在120℃条件下油浴浓缩至50ml，得到回收后的磷酸样品，并将经洗涤后的炭化咖啡渣进行干燥处理。

【性能测试】

对本发明实施例1～5的萃余酸浓缩液、炭化咖啡渣和含磷洗涤液中的元素含量进行测试，并对洗涤后得到的炭化咖啡渣元素含量和比表面积进行测试，测试结果如下表1～4所示。

孔隙率-比表面积：测试设备型号：JW-BK；咖啡渣成分分析：XPS、XRD、EDS，设备型号：ESCALAB 250Xi、P206A；萃余酸浓缩液和含磷洗涤液中元素含量分析：ICP-MS，设备型号：赛默飞7400。

表1萃余酸浓缩液中元素含量测试结果

表2炭化咖啡渣元素含量测试结果

表3含磷洗涤液中元素含量测试结果

表4洗涤干燥后的炭化咖啡渣分析测试结果

磷回收率：ω＝ρ

式中，ρ

金属阳离子脱除率：Q＝(Q

其中，Q

根据表1和表3的测试结果计算可知，本发明的磷回收率大于70％，金属阳离子(铁、镁、铝等)平均脱除率为75％以上，表明本发明提供的工艺能够有效回收萃余酸浓缩液中的磷元素。

从图2和表4可以看出本发明经洗涤干燥后得到的炭化咖啡渣孔隙率为55％～60％，比表面积大于900m

实施例6

按照与实施例1相同的方法回收萃余酸浓缩液中的磷元素，不同之处在于，步骤(1)为：取膜过滤后的萃余酸浓缩液100ml，加入2g氯化钠搅拌至溶解，然后加入40g咖啡渣粉末搅拌混合均匀，浸泡时间2h，放入模具中压制成型，后在150℃烘箱内干燥24h，制得改性咖啡渣。经测试，本实施例的磷回收率为75％，金属阳离子脱除率达90％，表明特性吸附阴离子能够与咖啡渣有机物质分子紧密吸附，提高对金属阳离子的吸附稳定性，从而冲洗过程中保证更多的磷元素得到回收，同时也提高了萃余酸浓缩液中金属阳离子的脱除率。

由于膜净化技术会产生大量湿法磷酸浓缩液，且浓缩液中金属杂质离子大量富集，这对浓缩液的磷回收利用造成较大的工艺难度，本发明的磷回收处理方法，能够将萃余酸浓缩液中磷元素和金属阳离子有效分离，同时能够将商业中不可利用的咖啡废渣综合利用，变废为宝，且工艺过程中未产生对环境有害的物质，具有较高的社会效益和经济效益。

需要说明的是，以上各实施例均属于同一发明构思，各实施例的描述各有侧重，在个别实施例中描述未详尽之处，可参考其他实施例中的描述。

以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。