磷酸氫鈣制備磷酸二氫鉀的工藝研究Ⅱ
——母液的凈化、蒸發和結晶*

，，， ，，張智，

(1.青海大學化工學院，青海西寧 810016; 2.青海明膠股份有限公司)

明膠生產中富產大量的磷酸氫鈣,主要作為動物飼料添加劑使用，由于該產品技術含量低，因此價格受市場影響大。如能將其轉化為磷酸二氫鉀(KDP)，對提高產品的附加值和企業的經濟效益都具有重要意義[1]。筆者以明膠廠富產的磷酸氫鈣為原料,與硫酸鉀在液相中進行復分解反應，得到KDP母液，通過調節pH除雜、經蒸發、冷卻結晶、分離得到KDP產品。

1 實驗部分

1.1 實驗原料

磷酸氫鈣，鈣和磷的質量分數分別為23.76%和17.15%；硫酸鉀(工業級)；硫酸(工業級)；復分解反應得到的KDP母液,其余藥品均為分析純。

1.2 實驗儀器

PH211C型精密酸度計、HDM-1000型恒溫磁力攪拌電熱套、101FA-2型電熱鼓風干燥器、FA1004型電子天平、HH-1型恒溫水浴鍋、SHB-Ⅲ型循環水式多用真空泵。

1.3 實驗方法及步驟

1.3.1 母液凈化方案的選擇

取5份磷酸二氫鉀母液各500 mL，按方案1～5分別對其凈化處理；將處理后的母液蒸發90%(質量分數，下同)，自然冷卻結晶12 h，過濾，120 ℃下烘干得到KDP產品，并分析其純度。

方案1：用20%的NaOH溶液調母液pH=4，過濾；方案2：用20%的KOH溶液調節母液pH=4，過濾；方案3：先用20%的NaOH調節母液pH=7.0，再加入足量Na2CO3沉淀鈣，過濾；方案4：加入足量BaCl2沉淀鈣，過濾；方案5：母液不處理。

1.3.2 母液pH的調節

取5份KDP母液各500 mL，用NaOH溶液調節母液的pH分別為3、4、4.5、5、6；蒸發90%母液，過濾沉淀，自然冷卻結晶12 h，過濾，120 ℃下烘干得到KDP產品，分析其純度。

1.3.3 母液的蒸發、結晶

分別取200 mL經除雜、調pH的KDP母液置于5個400 mL的燒杯中，控制水蒸發量分別為70%、75%、80%、85%、90%；母液過濾后,自然冷卻結晶12 h，過濾,120 ℃烘干2 h得KDP產品，分析其純度。

2 實驗結果與討論

2.1 母液的凈化

表1 不同方案凈化母液得到KDP產品的質量和純度

由表1可知，方案4得到的產品純度最高，但形成的硫酸鋇沉淀顆粒較細，過濾比較困難；方案1和方案2得到的產品純度較好，雖然利用KOH處理所得產品質量優于NaOH，但KOH價格昂貴，生產成本高；方案3得到的產品質量和純度最低，這是由于母液的pH高，磷酸根以磷酸鈣的形式沉淀下來造成了磷的損失；方案5直接進行蒸發得到的產品中鈣含量偏高，由此導致產品中KDP的含量較低。綜合考察，采用NaOH對母液進行處理比較適宜。

2.2 母液pH的調節

調節KDP母液pH，可以改變溶液性質和KDP晶體的生長習性，從而改善產品的質量和純度。表2為不同pH對KDP產品質量和純度的影響。

表2 不同pH對KDP產品質量和純度的影響

由表2可知，隨著溶液pH的提高，KDP產品質量也相應增加，純度逐漸升高，當pH=4.5時產品質量和純度均達到最大。分析原因，隨著pH的提高，KDP母液中的雜質(鈣、鐵、鎂等離子)，以磷酸鹽沉淀的形式除去[3]，母液得到凈化,從而使產品純度提高；繼續提高溶液的pH，產品的質量和純度呈現下降趨勢，這可能是氫氧化鈉加入量增加，引入的雜質增多所致。同時pH偏離4.5時，KDP的溶解度會增大。因此pH確定為4.5比較適宜。

2.3 母液的蒸發

2.3.1 水蒸發量

母液的水蒸發量不僅涉及到能耗，同時還影響著KDP產品的純度。表3為不同水蒸發量對母液中KDP含量的影響。

表3 不同蒸發水量對母液中磷酸二氫鉀含量的影響

從表3可知,隨著水蒸發量的增加,母液中KDP含量逐漸增大,在實際蒸發操作中,當其含量達到常溫下的飽和含量時,蒸發過程就可結束,冷卻結晶即可得到產品。由于常溫下KDP在水中的溶解度為149.57 g/L，從表3數據可知，水蒸發量必須達到60%以上，才能使其達到飽和狀態。

表4為不同水蒸發量對結晶后得到產品的質量和純度的影響。

表4 不同蒸發水量對KDP產品質量及純度的影響

從表4可知，隨著水蒸發量的增加，KDP產品的純度逐漸下降，尤其當水蒸發量超過80%時,由于雜質的飽和析出,產品的純度下降趨勢增大；同時，隨著KDP濃度的不斷增大，母液的黏度也增加，對蒸發過程有所影響。因此，水蒸發量控制在80%以內較為適宜。

2.3.2 蒸發過程中磷、鉀的損失

圖1水蒸發量對沉淀中磷含量的影響圖2水蒸發量對沉淀中鉀含量的影響

從圖1、2可知,隨著水蒸發量的增加,在析出的雜質沉淀中磷、鉀含量逐漸增大,即磷、鉀損失加大,尤其在水蒸發量超過40%時表現更加明顯。分析原因，在蒸發過程中可能生成了磷酸氫鈣和鉀石鹽，從而引起磷、鉀的損失，所以，從提高磷、鉀收率的角度考慮，水蒸發量不宜過大。

2.3.3 蒸發母液中Ca2+質量濃度的變化

圖3為水蒸發量對母液中Ca2+質量濃度影響。由圖3可見，隨著水蒸發量的增大，溶液中Ca2+的質量濃度逐漸降低，這是由于硫酸鈣不斷析出所致。當水蒸發量超過40%時,Ca2+的質量濃度突然下降,此時大量硫酸鈣集中析出。當水蒸發量達到80%時,Ca2+質量濃度很低,說明絕大部分硫酸鈣已結晶析出，這對提高母液冷卻結晶后得到KDP產品的純度是有利的,但同時水蒸發量過大也會造成磷、鉀損失增大,因此水蒸發量不宜超過80%。

圖3 水蒸發量對母液中Ca2+質量濃度影響

2.4 KDP的結晶

由于KDP溶解度隨溫度降低而顯著下降，所以實驗中采用自然冷卻結晶的方法。

在母液的自然冷卻過程中，每隔1 h測量母液中磷和鉀的濃度，由差減法計算出KDP結晶析出的質量。圖4為結晶時間與KDP產品質量的關系。從圖4可見，在0～1 h時，KDP結晶速度很慢，在>1 h時,結晶速度急劇加快,幾乎呈線性增長。實驗中還發現,不同的反應條件和原料配比,由于得到的母液組成有差異,從而影響KDP的結晶速率,得到的結晶速率曲線也有差異。

圖4 結晶時間和KDP產品質量的關系

3 結論

通過實驗得出如下結論：1)分別采用BaCl2、KOH、NaOH和Na2CO3對母液進行凈化處理，其中BaCl2處理的效果最好，但BaSO4沉淀粒度微細，過濾困難。綜合考慮生產成本等因素，選用NaOH對母液進行凈化處理比較適宜；當母液的pH=4.5時，結晶得到的產品純度高、產量大。2)母液的蒸發量，首先要考慮KDP達到常溫下的飽和濃度，此時的水蒸發量需大于60%；從產品的純度考慮，水蒸發量的上限應為80%；但同時要考慮蒸發過程中由于雜質析出而引起的磷、鉀損失，綜合考慮水蒸發量控制在70%較為適宜。3)母液的自然冷卻結晶，在0～1 h時，KDP的結晶速率很慢，此后隨著時間的延長,結晶速度迅速加快,幾乎呈線性增長。

[1] 關云山,張志強,武鑫,等.明膠鈣水制備磷酸二氫鉀工藝研究[J].無機鹽工業,2010,42(9):46-48.

[2] 胡秀英.磷酸二氫鉀結晶過程研究[D].成都：四川大學,2007.

[3] 周堃.重鈣生產磷酸二氫鉀工藝研究[D].成都：四川大學,2007.