Механизм процесса разложения апатита фосфорной кислотой

DOI:

Производство экстракционной фосфорной кислоты (ЭФК) основано на разложении фосфатного сырья серной кислотой [1]. В основном фосфорную кислоту применяют при производстве минеральных удобрений [2]. Согласно данным International Fertilizer Industry Association ожидается рост объёмов производства экстракционной фосфорной кислоты до 47,8 млн т (в пересчёте на Р 2 О 5 ) [3]. За пятилетний период ежегодный прирост составит около 3,9%.

Материалы и методы

С целью раскрытия механизма 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. Процесс разложения осуществляется без добавления серной кислоты. Масса навески апатита 50 г, процесс разложения апатита осуществляется при температуре 78–82 °С.

В ходе процесса определяли концентрацию фосфорной кислоты и монокальцийфосфата [4]. Кислотность реакционной смеси находили по показаниям рН-метра (рН-105 МА с электродом стеклянным комбинированным – ЭСК-10603).

Рисунок 1. Зависимость рН реакционной смеси от времени протекания процесса разложения Ковдорского апатита в фосфорной кислоте. Размер частиц

0,16 мм. Начальная концентрация Н 3 РО 4 – 17%

Figure 1. The dependence of the рН of the reaction mixture on the time of the process of decomposition of

Kovdorsky apatite in phosphoric acid. The particle size is 0.16 mm. Initial concentration of Н 3 РО 4 – 17%

Результаты и обсуждение

Данные экспериментального исследования процесса разложения апатита фосфорной кислотой представлена на рисунке 1–3. В ходе процесса происходит плавное увеличение значения рН реакционной смеси до значения рН 6 (рисунок 1). В начале происходит быстрое уменьшение концентрации фосфорной кислоты с 17 до 10% масс., после этого процесс идёт медленно и не до конца (рисунок 2), при этом одновременно происходит образование геля монокальцийфосфата [5–8].

Рисунок 1. Зависимость массовой концентрации фосфорной кислоты и монокальцийфосфата от времени протекания процесса разложения апатита в фосфорной кислоте. Размер частиц 0,16 мм. Температура 80 °С

Figure 1. The dependence of the mass concentration of phosphoric acid and monocalcium phosphate on the time of the process of decomposition of apatite in phosphoric acid. Particle size 0.16 mm. Temperature 80 °С

Сравнение значений рН реакционной смеси (рисунок 1) и значений рН фосфорной кислоты в водном растворе (рисунок 3) показывает, что на значение рН реакционной смеси существенно влияет присутствие геля монокальцийфосфата.

Рисунок 3. Зависимость рН фосфорной кислоты в водном растворе от концентрации фосфорной кислоты Figure 3. The dependence of the рН of phosphoric acid in aqueous solution on the concentration of phosphoric acid

Зависимость концентрации ионов водорода в реакционной смеси от времени протекания процесса разложения апатита в фосфорной кислоте, которое представлено в логарифмических координатах на рисунке 4, показывает, что механизм процесса образования ионов водорода не меняется [9–12].

Рисунок 4. Зависимость концентрации ионов водорода в реакционной смеси от времени протекания процесса разложения Ковдорского апатита в фосфорной кислоте в логарифмических координатах

Заключение

Установлен механизм процесса разложения апатита фосфорной кислотой в системе апатит-Н 3 РО 4 -Н 2 O, который в системе апатит-Н 3 РО 4 -Н 2 SО 4 -Н 2 O включает 2 стадии – стадию взаимодействия апатита с фосфорной кислотой с получением геля монокальцийфосфата и разложения геля монокальцийфосфата серной кислотой. Экспериментально показано, что первая стадия протекает по механизму взаимодействия апатита с фосфорной кислотой с образованием промежуточного продукта – геля монокальцийфосфата. При этом имеет место значительное изменение значений величины рН реакционной смеси. В ходе процесса наблюдается постоянное уменьшение концентрации Н 3 РО 4 .

Figure 4. The dependence of the concentration of hydrogen ions in the reaction mixture from the time of the process of decomposition of Kovdorsky apatite in phosphoric acid in logarithmic coordinates