Исследование процесса дегидратации фосфатов кальция из фосфоритов Центральных Кызылкумов

В Узбекистане ощущается острый недостаток фосфорсодержащих удобрений. Обеспеченность в них не превышает 35% от годовой потребности. Дефицит фосфорных удобрений усугубляется еще и тем, что с урожаем из почвы выносится большое количество питательных веществ, а коэффициент использования фосфорных удобрений не превышает 20-25% в первый год внесения и 40% в последующие 2-3 года [1; 3]. Кроме того, ежегодно необходимо производство 272-292 тыс. т Р₂О₅ в виде одинарных фосфорных удобрений для внесения под зяблевую пахоту при выращивании хлопчатника и зерновых [7]. Все это указывает на увеличение валового выпуска фосфорсодержащих удобрений. При обогащении и выпуске 716 тыс. т мытого обожженного фосконцентрата (МОФК) в отвалы уходит более 40% фосфатного сырья с низким содержанием фосфорного ангидрида. Переработка фосфоритов с низким содержанием Р₂О₅ в фосфорные удобрения пролонгированного действия позволит увеличить валовый объем фосфорсодержащих удобрений, повысить их коэффициент использования и частично покрыть недостаток в одинарных фосфорных удобрениях.

Целью наших исследований является разработка технологии эффективных концентрированных одинарных фосфорных удобрений пролонгированного действия путем термохимической переработки фосфоритов Центральных Кызылкумов (ЦК) экстракционной фосфорной кислотой (ЭФК).

Кислотно-термическая переработка кальцийсодержащего сырья используется для производства кормовых, обесфторенных фосфатов огнеупоров и биокерамики [5; 6; 8]. Термической дегидратации подвергают гидрофосфаты, образующиеся при разложении фосфатного сырья фосфорной кислотой при нормах ниже стехиометрической, на образование монокальцийфосфата. При нормах фосфорной кислоты, близких к стехиометрической, образуется двойной суперфосфат. При снижении нормы кислоты образуется смесь моно- и дикальцийфосфатов с последующим переходом в дикальцийфосфат. Для исследований влияния процесса дегидратации на химический состав фосфатов кальция с содержанием различных форм фосфатов кальция приготовили образцы удобрений с отношением Р₂О_5эфк:Р₂О_5фс от 2,15 до 4,50. Химический анализ исходных, промежуточных и конечных продуктов проводили известными методами [2; 4; 9].

Для исследований использовали МОФК ЦК состава (масс. %): P₂O₅ – 26,20; СaO – 57,70; CaO:P₂O₅ – 2,202; MgO – 0,60; Fe₂O₃ – 0,34; Al₂O₃ – 0,49; SO₃ – 3,21; F – 2,84 и ЭФК из этого же сырья состава (масс. %): P₂O₅ – 17,98; СaO – 0,31; MgO – 1,12; Fe₂O₃ – 0,93; Al₂O₃ – 1,36; SO₃ – 2,32; F – 1,25. МОФК разлагали ЭФК при 80^оС в течение 90 минут. Массовое соотношение суммы Р₂О_{5 ЭФК} и Р₂О_{5 ФС} к сумме оксидов кальция, магния, железа, алюминия фосфорита и ЭФК (R) варьировали от 1,33 до 2,04, что соответствует отношению Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС = 2,15-4,50. Кислую пульпу нейтрализовали газообразным аммиаком до рН 3,3-3,5 и сушили при температуре 90-100^оС. Для дегидратации отобрали образцы удобрений с размером частиц от -4 до +3, от -3 до +2, от -2 до +1 мм.

Химические составы полученных удобрений в зависимости от соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС или R приведены в таблице 1. 

Таблица 1.

Влияние соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав фосфорных удобрений

Аммонизированные фосфорные удобрения подвергли термической дегидратации при температурах 150-300^оС в течение 90 минут. Полученные результаты приведены в таблицах 2-6. 

Таблица 2.

Влияние размера гранул, температуры прокалки и соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав дегидратированных фосфатов кальция при соотношении Р₂О_{5 ЭФК} : Р₂О_{5 Ф/С} = 2,15 (R = 1,33)

Таблица 3.

Влияние размера гранул, температуры прокалки и соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав дегидратированных фосфатов кальция при соотношении Р₂О_{5 ЭФК} : Р₂О_{5 Ф/С} = 2,85 (R = 1,56)

Таблица 4.

Влияние размера гранул, температуры прокалки и соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав дегидратированных фосфатов кальция при соотношении Р₂О_{5 ЭФК} : Р₂О_{5 Ф/С} = 3,65 (R = 1,80)

Таблица 5.

Влияние размера гранул, температуры прокалки и соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав дегидратированных фосфатов кальция при соотношении Р₂О_{5 ЭФК} : Р₂О_{5 Ф/С} = 4,0 (R = 1,90)

Таблица 6.

Влияние размера гранул, температуры прокалки и соотношения Р₂О_5ЭФК:Р₂О_5ФС на химический состав дегидратированных фосфатов кальция при соотношении Р₂О_{5 ЭФК} : Р₂О_{5 Ф/С} = 4,5 (R = 2,04)

Как видно из таблиц, с увеличением R с 1,33 до 2,04 при прочих равных условиях содержание Р₂О_5общ., Р₂О_5усв. и Р₂О_5водн. повышается. Так, для фракции +3÷-2 мм содержание Р₂О_{5 общ.} с 38,21-40,40% повышается до 47,89- 52,32%, Р₂О_5усв. с 19,87-25,98 до 39,01-47,16%, Р₂О_5водн. с 2,26-12,83% до 6,62-20,88%. Если Р₂О_5общ. с увеличением температуры прокалки с 150^оС до 300^оС монотонно возрастает с 38,21% до 40,40%, то Р₂О_5усв. и Р₂О_5водн. снижаются с 25,98% до 19,87% и с 12,83% до 2,26% для размера фракции -3÷+2 мм при R = 1,33. При R = 2,04 показатели Р₂О_5водн. также возрастают, а показатели Р₂О_5усв. повышаются с 39,36% до 47,16% при температуре 300^оС. Показатели Р₂О_5водн. с повышением температуры снижаются для всех значений R. Аналогично ведут себя показатели Р₂О_5общ., Р₂О_5усв. и Р₂О_5водн. с повышением R и температуры для остальных фракций удобрений.

Доля усвояемой ортоформы Р₂О₅ с повышением температуры для фракции -3÷+2 мм снижается с 35,86 при температуре 150^оС до 7,43%, тогда как доля усвояемой полиформы с 32,15% Р₂О₅ повышается до 50,58% при температуре 250^оС и снижается до 41,75% при 300^оС. Доля водорастворимой Р₂О₅ при этих условиях снижается с 33,59% до 5,59. С повышением R до 1,56 доля усвояемой полиформы повышается для фракции -3÷+2 мм с 37,49% при 150^оС до 54,46% при температуре 250^оС и снижается до 46,32% при температуре прокалки 300^оС. Аналогичная картина наблюдается для фракции -3÷+2 мм и при R = 1,90 и 2,04.

С увеличением размера фракции с -2÷+1 до -3÷+2 и -4÷+3 и R наблюдается незначительное снижение Р₂О_5общ. и увеличение доли Р₂О_5водн.. Остальные закономерности остаются практически без изменений.

Таким образом, проведенные исследования показали возможность получения одинарных концентрированных фосфорных удобрений пролонгированного действия из фосфоритов ЦК, содержащих 50,58-70,24% полиформ Р₂О₅. Для этого необходимо прокалку фосфорных удобрений с R = 1,56-2,04 осуществлять при температуре 250^оС в течение 90 минут.