Исследование экстракции фосфорной кислоты трибутилфосфатом

Содержание: 

Введение

Глава 1. Литературный обзор

1. Общие сведения о фосфорной кислоте
2. Способы получения фосфорной кислоты
3. Очистка фосфорной кислоты
4. Основные факторы влияющие на процесс экстракции

Глава 2. . Экспериментальная часть

    2.1 Методики  исследования

 2.1.1 Методика процесса экстракции фосфорной кислоты из азотнокислотной вытяжки трибутилфосфатом

         2.1.2 Определение плотности растворов

          2.1.3 Определение общего содержания фосфатов

    2.2 Обсуждение результатов

          2.1.1 Методика процесса экстракции фосфорной кислоты из              азотнокислотной вытяжки трибутилфосфатом

           2.2.2Определение плотности исследуемых растворов

           2.2.3 Определение содержания Р₂О₅ в исследуемых растворах

Заключение 
 
 
 
 

Введение

      Вовлечение  мировых запасов фосфора в  сферу потребления человека осуществляется путем переработки минералов  фосфора, в основном, в ортофосфорную  кислоту и далее производством  из неё фосфорных удобрений(80 %) и  солей для технических и пищевых  целей (12 % - моющие средства,5% - кормовые фосфаты, 3 % -пищевые добавки, средства для обработки металлов электронной промышленности и т.д.) [1]. 
            Ортофосфорную кислоту получают термическим методом – продукт термическая фосфорная кислота (ТФК) и экстракционным методом – продукт экстракционная фосфорная кислота (ЭФК). Экстракционная и термическая фосфорные кислоты резко различаются по качеству. Термическая фосфорная кислота, получаемая электротермическим разложением фосфатов, характеризуется высокой степенью чистоты - содержит в сумме не более 0,4%примесей. Она используется для получения чистых технических и пищевых фосфатов и пищевой фосфорной кислоты [2,3]. Однако, из - за большого расхода электроэнергии для производства, её стоимость высока. К тому же немаловажен экологический фактор. Большое количество вредного газа окисиуглерода, выделяемого в атмосферу при получении желтого фосфора в процессе восстановления фосфатного сырья углем, приводит к существенному загрязнению атмосферы.

      Экстракционная  фосфорная кислота, получаемая кислотным разложением фосфатного сырья, используется в основном для производства удобрений. Качество экстракционной фосфорной кислоты зависит от состава исходного сырья, потому что в нее частично или полностью переходят примеси фосфатных руд. Их суммарное содержание может достигать 15 %. Очистка экстракционной фосфорной кислоты от примесей, каким -либо способом позволяет заменять термическую фосфорную кислоту на очищенную экстракционную фосфорную кислоту как более дешёвый продукт, в связи с тем, что стоимость очищенной экстракционной фосфорной кислоты примерно в несколько раз ниже [4, 5]. Производство экстракционной фосфорной кислоты является одним из наиболее крупнотоннажных среди производств основной химической промышленности.

        Актуальность работы заключается в получении наиболее чистой экстракционной фосфорной кислоты с меньшими затратами.

        Цель работы: исследовать влияние  температуры на процесс экстракции  и качество полученного продукта.

    В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

    - проработать теоретический материал  по получению ЭФК и влиянию различных факторов на процесс экстракции;

   - в лабораторных условиях получит  ЭФК при различных температурах;

   - провести химический анализ состава  полученных растворов;

      Глава 1. Литературный обзор.

1.1 Общие сведения  о фосфорной кислоте 

     Кислота (ортофосфорная кислота) H₃PO₄, молярная масса 97,995; бесцветные гигроскопичные кристаллы моноклинной сингонии, расплывается на воздухе; температура плавления - 42,50 С; плотность 1,88 г/см³; -1283 кДж/моль; наиболее стабильное соединение в ряду кислородсодержащих кислот фосфора. В расплавленном состоянии склонна к переохлаждению. При 15 ⁰C образует густую маслянистую жидкость, при -121 ⁰C- стеклообразную массу.

     Фосфорная кислота смешивается с водой  в любых соотношениях. Разбавленные водные растворы имеют кисловатый вкус. Из высококонцентрированных растворов  кристаллизуется в виде гемигидрата (полугидрата) H₃PO₄·0,5H₂O- бесцветные кристаллы моноклинной сингонии. Молекула безводной H₃PO₄ и ее кристаллогидрата содержит тетраэдрическую группу PO₄. В безводной фосфорной кислоте образуются водородные связи типа P — О — H ... O = P. Водородные связи сохраняются и в концентрированных (70-80%) растворах фосфорная кислота, что отчасти обусловливает ее сиропообразную природу. В разбавленных до 40-50% растворах отмечена более устойчивая водородная связь фосфат-анионов с молекулами воды, а не с другими фосфат-анионами.

     H₃PO₄ - сильная кислота, K₁ 7,1·10^-3 (рК_а 2,12), K₂ 6,2·10^-8 (рК_а 7,20), K₃ 5,0·10^-13 (рК_а 12,32); значения K₁ и K₂ зависят от температуры. Диссоциация по первой ступени экзотермична, по второй и третьей - эндотермична. Фосфорная кислота при нормальных условиях малоактивна и реагирует лишь с карбонатами, гидроксидами и некоторыми металлами. При этом образуются одно-, двух- и трехзамещенные фосфаты. При нагревании выше 80 ⁰C реагирует даже с неактивными оксидами, кремнеземом и силикатами. При повышенных температурах фосфорная кислота- слабый окислитель для металлов. При действии на металлическую поверхность раствором фосфорной кислоты с добавками Zn или Mn образуется защитная пленка (фосфатирование).

     От  других фосфорных кислот H₃PO₄ можно отличить по реакции с AgNO₃ - выпадает желтый осадок Ag₃PO₄. Остальные фосфорные кислоты образуют белые осадки [1,5]. 

1.2 Способы получения фосфорной кислоты

      В промышленности фосфорную кислоту получают термическим и экстракционным способами.

      Термический способ (позволяет производить наиболее чистую фосфорную кислоту) включает основные стадии: сжигание (окисление) элементного фосфора в избытке воздуха, гидратацию и абсорбцию полученного P₄O₁₀, конденсацию фосфорной кислоты и улавливание тумана из газовой фазы. Существуют два способа получения P₄O₁₀: окисление паров P (в промышленности используют редко) и окисление жидкого P в виде капель или пленки. Вторую стадию получения термической фосфорной кислоты- гидратацию P₄O₁₀ - осуществляют абсорбцией кислотой (водой) либо взаимодействием паров P₄O₁₀ с парами воды. Гидратация (P₄O₁₀ + 6H₂O 4H₃PO₄) протекает через стадии образования полифосфорных кислот. Состав и концентрация образующихся продуктов зависят от температуры и парциального давления паров воды. Все стадии процесса могут быть совмещены в одном аппарате, кроме улавливания тумана, которое всегда производят в отдельном аппарате.

      Более экономичный экстракционный метод  получения фосфорной кислоты основан на разложении природных фосфатов кислотами (в основном серной, в меньшей степени азотной и незначительно соляной). Фосфорнокислые растворы, полученные разложением азотной кислотой, перерабатывают в комплексные удобрения, разложением соляной кислотой - в преципитат.

      Жидкостная экстракция — процесс распределения растворенного вещества между двумя несмешивающимися жидкими фазами, одной из которых в большинстве случаев является вода, а второй — несмешивающийся с водой органический растворитель. При использовании методов экстракции отсутствует химическое превращение разделяемых веществ и не образуются побочные продукты

      Извлечение вещества из фазы органического растворителя в водную фазу называется реэкстρакцией.

      Сернокислотное  разложение фосфатного сырья - основной метод получения экстракционной фосфорной кислоты, применяемой для производства концентрированных фосфорных и комплексных удобрений. Суть метода - извлечение (экстрагирование) P₄O₁₀ в виде H₃PO₄. По этому методу природные фосфаты обрабатывают H₂SO₄ с последующим фильтрованием полученной пульпы для отделения фосфорной кислоты от осадка сульфата кальция. Часть выделенного основного фильтрата, а также весь фильтрат, полученный при промывке осадка на фильтре, возвращают в процесс экстрагирования (раствор разбавления) для обеспечения достаточной подвижности пульпы при ее перемешивании и транспортировке.

      Природные фосфаты разлагаются по схеме:

Ca₅(PO₄)₃F + 5H₂SO₄ + nH₃PO₄ + mH₂O

(n + 3)H₃PO₄ + 5CaSO₄*mH₂O + HF

      Разложению  кислотами подвергаются также сопутствующие примеси: кальцит, доломит, сидерит, нефелин, глауконит, каолин и другие минералы. Это приводит к увеличению расхода используемой кислоты, а также снижает извлечение P₂O₅ в целевой продукт вследствие образования нерастворимых фосфатов железа FeH₃(PO₄)₂· 2,5H₂O при концентрациях P₂O₅ выше 40% (содержание P₄O₁₀ обычно дается в пересчете на P₂O₅) и FePO₄· 2H₂O - при более низких концентрациях. Выделяющийся при разложении карбонатов СО₂ образует в экстракторах стойкую пену; растворимые фосфаты магния, железа и алюминия снижают активность фосфорной кислоты, а также уменьшают содержание усвояемых форм P₂O₅ в удобрениях при последующей переработке фосфорной кислоты.

      С учетом влияния примесей определены требования к фосфатному сырью, согласно которым природные фосфаты с повышенным содержанием соединений железа, алюминия, магния, карбонатов и органических веществ непригодны для производства фосфорной кислоты.

      Термическая фосфорная кислота выпускается 85-86%-ная (по P₂O₅, свободна от примесей), экстракционная - в виде 40%-ных водных растворов (содержит много примесей).

      1.3 Очистка фосфорной кислоты