Исследование обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты, полученной из термоконцентрата Центральных Кызылкумов в присутствии оксида кремния

АННОТАЦИЯ

В статье приведены данные по обесфториванию экстракционной фосфорной кислоты из термоконцентрата Центральных Кызылкумов сульфатом и гидрофосфатом калия в присутствии оксида кремния с целью коррекции соотношения Si : F. Степень обесфторивания при этом достигает 91-95%.

ABSTRACT

The article presents data on the defluorination of extraction phosphoric acid from the thermal concentrate of Central Kyzylkum with sulfate and potassium hydrogen phosphate in the presence of silicon oxide in order to correct the Si : F ratio. The degree of defluorination reaches 91-95%.

Ключевые слова: экстракционная фосфорная кислота, сульфат, гидрофосфат калия, фтор, степень обесфторивания, диоксид кремния.

Keywords: extraction phosphoric acid, sulfate, potassium hydrogen phosphate, fluorine, degree of defluorination, silicon dioxide.

Поступающий в почву с фосфорными удобрениями фтор, образует различные водорастворимые соединения, создавая при этом вероятность нарушения устоявшихся биологических систем. Экологическое равновесие в биогеоценозах поддерживается при условии низкого содержания фтора в воде и почве. Однако оно может существенно измениться в случае появления в гидросфере, литосфере и атмосфере легкоусвояемых растениями и животными форм фтора, образующихся в результате промышленной и сельскохозяйственной деятельности человека. Например, в аммофосе в среднем содержится 3,2-3,5 масс. % фтора, причем содержание фтора в аммофосе не регламентируется. Это обусловливает большую актуальность вопросов снижения содержания фтора в экстракционной фосфорной кислоте (ЭФК) [3-5].

Наиболее простым и дешевым способом обесфторивания ЭФК является осаждение фтора в виде кремнефторидов щелочных металлов. Однако, предыдущие исследования показали, что содержание кислоторастворимого кремния в ЭФК из фосфоритов Центральных Кызылкумов (ЦК) недостаточно для полного перевода всего фтора в кремнефторид калия, что и обусловливает низкую степень обесфторивания [2]. В связи с этим были поставлены эксперименты по обесфториванию ЭФК солями калия в присутствии диоксида кремния, с целью коррекции соотношения SiО₂ : F в ЭФК.

Для экспериментов использовалась ЭФК, полученная на основе фосфоритов ЦК, следующего химического состава (масс. %): Р₂О₅ – 20,89; СаО – 0,24; MgO – 1,2; Аl₂O₃ – 1,33; Fe₂O₃ – 0,90; F – 1,21; SО₃ – 3,60; Na – 0,12. Анализы исходной и обесфторенной ЭФК, а также осадка кремнефторида калия проводились по стандартным методикам [1].

Опыты по обесфториванию ЭФК проводили на лабораторной установке, состоящей из кварцевого реактора, помещенного в термостат. Реактор был снабжен мешалкой, обеспечивающей интенсивное перемешивание. Скорость вращения электродвигателя регулировали реостатом и измеряли тахометром.

Для обесфторивания использовали раствор солей калия в обесфторенной ЭФК с целью предотвращения возникновения местных пересыщений, которые приводят к образованию мелких, плохо фильтрующихся кристаллов кремнефторида калия. Норму диоксида кремния рассчитывали, исходя из соотношения 6F:SiO₂ с учетом содержания фтора и кремния в ЭФК.

Результаты исследований влияния нормы сульфата и гидрофосфата калия в присутствии диоксида кремния на состав и степень обесфторивания представлены в таблице 1 (температура обесфторивания – 70°С, продолжительность перемешивания – 45 мин., температура отстаивания – 30°С, продолжительность отстаивания – 120 мин, соотношение SiO₂ : F=1:6 ).

Анализ данных таблицы 1 показывает, что степень обесфторивания достигает 94,30% при использовании сульфата калия и 95,95% при использовании гидрофосфата калия при норме осаждающего агента 200%. С увеличением нормы сульфата и гидрофосфата калия от 100 до 120-130% степень обесфторивания резко возрастает. Так например, с увеличением нормы сульфата и гидрофосфата калия степень обесфторивания возрастает с 75,70% до 93,55 – 93,72% и с 85,04% до 94,38 – 94,96%, соответственно. Степень обесфторивания несколько выше при использования гидрофосфата калия.

Таблица 1.

Влияние нормы ионов калия на состав экстракционной фосфорной кислоты в при присутствии оксида кремния

Дальнейшее увеличение нормы осаждающего агента повышает степень обесфторивания весьма незначительно. При обесфторивании гидрофосфатом калия в ЭФК дополнительно вводятся фосфат-ионы. С увеличением нормы гидрофосфата калия содержание Р₂О₅ в ЭФК незначительно повышается с 21,822% при норме 100% до 21,978% норме 130% и до 21,822% при норме 200%.

Исследование влияния продолжительности процесса взаимодействия гидрофосфата и сульфата калия со фтором исходной ЭФК в присутствии диоксида кремния показало, что основное количество фтора связывается в течение первых 30 минут.

Таблица 2.

Влияние продолжительности процесса на химический состав и степень обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты солями калия в присутствии диоксида кремния

При этом содержание фтора в ЭФК составляет 0,105% и 0,074%, соответственно, при использовании сульфата и фосфата калия, что соответствует степени обесфторивания 91,32% и 93,88%. Большое влияние на степень обесфторивания ЭФК оказывает температура процесса (табл. 3).

С повышением температуры процесса степень обесфторивания увеличивается ЭФК, что объясняется кинетикой процесса. При температуре 70-80°С, степень обесфторивания относительно выше, чем при 20°С.

Оптимальной температурой процесса обесфторивания является 70-80°С. Эта температура достигается при отстаивании ЭФК с температурой 80-90°С после фильтрации для осаждения взвеси кристаллов гипса, прошедших через фильтровальную ткань и выкристаллизовавшихся из ЭФК.

Таблица 3.

Влияние продолжительности процесса на химический состав и степень обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты солями калия в присутствии диоксида кремния

Также было изучено влияние температуры отстаивания на степень обесфторивания солями калия в присутствии двуокиси кремния (табл. 4).

При обесфторивании ЭФК сульфатом и гидрофосфатом калия с понижением температуры с 60 до 50°С степень обесфторивания увеличивается на 12,40 и 12,64%. С понижением температуры с 40 до 20°С этот показатель составляет 2,56-1,90% отн.

Химический и фазовый состав осадков аналогичен тем, которые образуются при обесфторивании в отсутствии диоксида кремния. Осадок представлен, в основном кремнефторидом калия.

Таблица 4.

Влияние температуры отстаивания на состав и степени обесфторивания экстракционной фосфорной кислоты солями натрия

В случае использования сульфата калия в осадке дополнительно присутствует дигидрат сульфата кальция. Результаты химического анализа подтверждены данными рентгенофазового анализа.

Таким образом оптимальными условиями процесса обесфторивания ЭФК сульфатом и гидрофосфатом калия в присутствии диоксида кремния следует признать следующие: норма солей калия – 120-130%, температура процесса обесфторивания – 70-80°С, продолжительность процесса – 20-30 мин, температура отстаивания – 20-30°С, продолжительность отстаивания – не менее 90 мин.

Таким образом, степень обесфторивания ЭФК из термоконцентрата ЦК сульфатом и гидрофосфатом калия в присутствии оксида кремния составляет 91-95%. Эти данные приближаются к теоретически возможному пределу. Полученная степень обесфторивания является вполне приемлемой для внедрения данной технологии в промышленное производство.

Список литературы:
1. Методы анализа фосфатного сырья, фосфорных и комплексных удобрений, кормовых фосфатов. / Винник М.М., Ербакова Л.Н., Зайцев Г.И. – М.: Химия, 1975. – 218 с.
2. Хужамкулов С.З., Асамов Д.Д., Бардин С.В., Мирзакулов Х.Ч. Обесфторивание экстракционной фосфорной кислоты солями натрия // Химия и химическая технология. – Ташкент, 2008. - № 2. –С. 16-19.
3. Хужамкулов С.З., Меликулова Г.Э., Мирмусаева К.С., Мирсаидов М.Х., Мирзакулов Х.Ч. Исследование процессов получения кремнефторида натрия из экстракционной фосфорной кислоты на основе фосфоритов Центральных Кызылкумов // Химическая технология. Контроль и управление. – Ташкент, 2016. - №1. – С. 34-40.
4. Шарипов Т.В., Мустафин А.Г. Разработка технологии производства кремнефтористого натрия на основе содобикарбонатной суспензии // Химическая промышленность сегодня. – Москва, 2011. - № 10. – С. 30-38.
5. Шаяхметов Д.И., Шарипов Т.В., Мустафин А.Г. Получение фторида натрия из побочного продукта производства ЭФК // Отраслевой научно-производственной конференции, – Уфа, 2013. – С. 72-73.