Изменение кислотности среды в процессе разложения апатита серной кислотой

Фосфорная кислота является основным сырьем для производства фосфорных удобрений, кормовых добавок, инсектицидов и других фосфорсодержащих продуктов. По оценке отраслевых экспертов Российской Федерации, количество минеральных удобрений, вносимых в почвы сельскохозяйственного назначения, более чем в 10 раз меньше необходимой по нормативам [1, 2]. В настоящее время проводятся исследования, направленные на реализацию этапов получения экологически чистых отходов от производства удобрений [3]. Общее мировое потребление фосфатного сырья в настоящее время составляет более 150 млн т в год. Около 85% фосфатного сырья используется для производства минеральных удобрений.

Технология фосфорсодержащих удобрений основана на разложении природных фосфатов кислотами. Ведутся разработки способов кислотной переработке апатита [4]. Наиболее распространённый способ получения фосфорных удобрений – обработка фосфатов серной кислотой, при этом получаются концентрированные удобрения. Фосфорная кислота является основным исходным сырьем в производстве фосфорных удобрений [5].

В зависимости от температуры процесс разложения апатита можно вести дигидратным, полугидратным или ангидритным способами при разных температурах с получением фосфорной кислоты различной концентрации [6, 7].

Материалы и методы

C целью поиска идентификации процесса выполнено исследование процесса разложения Ковдорского апатита с размерами частиц 0,16 мм в реакторе периодического действия объемом 1 дм3 при перемешивании реакционной смеси. Начальная концентрация фосфорной кислоты 17% масс. Серная кислота вводилась сразу в стехиометрическом количестве при навеске апатита 50 г и соотношении Ж:Т 2,5:1, температура поддерживалась в процессе 78–82 °С [8].

Наблюдение за ходом процесса проводили по методике совместного определения серной и фосфорной кислот титриметрическим анализом состава реакционной смеси в присутствии метилового оранжевого, а затем фенолфталеина [9].

В результате определяли содержание фосфорной кислоты, избыток или недостаток серной кислоты и содержание геля монокальцийфосфата [10]. Фиксировали кислотность реакционной смеси по показаниям рН-метра (рН-105 МА с электродом стеклянным комбинированным – ЭСК-10603).

Результаты и обсуждение

На рисунке 1 показана зависимость концентрации фосфорной и серной кислот в системе апатит-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O от времени протекания процесса. Значения рН реакционной смеси в ходе процесса разложения апатита в системе апатит-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O показаны на рисунке 2.

кислот в реакционной смеси от времени протекания процесса разложения апатита с начальными размерами частиц 0,16 мм

Figure 1. The dependence of the mass concentration of acids

Рисунок 2. Зависимость pH реакционной смеси от времени протекания процесса разложения апатита в системе апатит-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O. Размеры частиц 0,16 мм. Начальное отношение Ж:Т 2,5:1. Температура 80 °С

Figure 2. The dependence of the pH of the reaction mixture on the time of the process of decomposition of apatite in the system apatite-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O. Particle size 0.16 mm. The initial ratio L:S 2,5:1. Temperature 80 °С

В системе апатит-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O при температуре 80 °С экспериментально показано, что в ходе процесса pH реакционной смеси повышается до значений рН 6,3 в течение порядка 30 мин, а затем происходит его уменьшение до значений рН 4,5–5,0. Остаточный pH в конце процесса определяется значением pH фосфорной кислоты [11, 12]. Сравнение значений рН раствора серной кислоты в водном растворе фосфорной кислоты (рисунок 3) и значений рН реакционной смеси (рисунок 2) при соответствующих концентрациях серной кислоты (рисунок 1) показывает, что значение рН реакционной смеси определяется присутствующим в смеси гелем монокальцийфосфата.

Рисунок 3. Изменение величины pH водного раствора фосфорной кислоты при начальной концентрации фосфорной кислоты равной 17%, при добавлении серной кислоты Figure 3. The change in pH of an aqueous solution of phosphoric acid with an initial concentration of phosphoric acid equal to 17% with the addition of sulfuric acid

Заключение

Процесс разложения апатита серной кислотой в системе апатит-H 3 PO 4 -H 2 SO 4 -H 2 O протекает в несколько стадий. В начале установлено быстрое разложение фосфатного сырья и соответствующее изменение рН реакционной смеси, связанное с накоплением в растворе монокальцийфосфата. Затем происходит медленное уменьшение рН до 4,5–5,0. Последнее происходит в результате разложения монокальцийфосфата серной кислотой. В ходе процесса имеет место постоянное увеличение концентрации H 3 PO 4 .