低溫下磷酸的密度和黏度的測定及其關聯(lián)

王為國，陳 璐，張嵐欣，王存文*

(1.國家磷資源開發(fā)利用工程技術(shù)研究中心，湖北 武漢 430074；2.武漢工程大學化工與制藥學院,綠色化工過程教育部重點實驗室,湖北 武漢 430074)

0 引 言

磷酸是一種非常重要的化工產(chǎn)品，它的用途十分廣泛，是制取各種磷化工產(chǎn)品和高濃度磷肥不可或缺的化工原料，在無機化工中占有舉足輕重的地位，有和“三酸”齊名之勢.根據(jù)純度的不同，主要分為工業(yè)級、食品級和電子級磷酸.電子級磷酸廣泛運用于大規(guī)模集成電路等微電子工業(yè)，因其獨特的性能與作用被人們稱做“磷酸行業(yè)皇冠上的明珠”，價格昂貴[2].以工業(yè)級、食品級磷酸為原料,采用結(jié)晶法(包括冷卻結(jié)晶法[3-4]與熔融結(jié)晶法[5-6])制備電子級磷酸是具有良好的工業(yè)化前景.結(jié)晶法是通過降溫，增大溶液的過飽和度，使溶質(zhì)從溶液中析出的一種提純操作.結(jié)晶過程與原料的密度與粘度等性相關,文獻[1]給出了20 ℃磷酸水溶液的密度與25 ℃磷酸水溶液的粘度,但更低溫度下磷酸的密度和黏度未見文獻報道.因此,本研究測定了低溫下,不同濃度的磷酸的密度與粘度并將其關聯(lián)成經(jīng)驗公式,為采用結(jié)晶法制備電子級磷酸過程的理論研究與工業(yè)化設計提供參考基礎物性數(shù)據(jù).

1 試驗部分

1．1 試驗儀器和試劑

電子天平(精度為0．1 mg)；電子秒表(精度為0．01 s)；烏式黏度計；超級恒溫水浴(溫場控制精度為0．1 K)；PZ-B-5型液體比重天平(精密度:0.001 g/cm3).

高純磷酸:高純磷酸采用分析純磷酸經(jīng)多重結(jié)晶后的產(chǎn)品,高純磷酸中各組分含量見下表1.

表1 高純磷酸中各組分含量

二次蒸餾水：由純水(電導率小于10)經(jīng)二次蒸餾的高純水，電導率小于0.2 μs·cm-1.

1．2 溶液的配制

用容量瓶稱重法配制一定質(zhì)量分數(shù)磷酸,在配制過程中首先稱取所需量的高濃磷酸，在不接觸容量瓶的情況下，用注射器直接注入達到規(guī)定質(zhì)量分數(shù)所需的二次蒸餾水的質(zhì)量，搖勻.再用標準NaOH溶液對配制的溶液濃度進行檢驗.

1．3 密度的測定

將裝有一定量磷酸的量筒置入低溫恒溫池中，待量筒內(nèi)磷酸達到規(guī)定的溫度時，再用PZ-B-5型液體比重天平測量其密度.

1．4 黏度的測定

將裝有一定量磷酸的烏式黏度計置入低溫恒溫池(溫場精度為0．1 K)中，待量烏式黏度計內(nèi)磷酸溫度與低溫恒溫池內(nèi)酒精溫度相等時，測量磷酸流過黏度計毛細管的時間，每個數(shù)據(jù)點至少進行三次重復試驗.液體的黏度由下式進行計算：

(1)

式(1)中μ、μ0、ρ、ρ0和τ、τ0.分別表示待測液與標準液的黏度(mPa·s)、密度(g·cm-3)和液體流過黏度計毛細管的時間(s).

2 結(jié)果及討論

2.1 磷酸的密度測量與關聯(lián)

2.1.1 PZ-B-5型液體比重天平的可靠性驗證 為了驗證試驗方法和PZ-B-5型液體比重天平的可靠性，測定了磷酸在20 ℃和常壓下的密度，與文獻值[1]的數(shù)值進行了比較，其結(jié)果見表2.由表2可知，磷酸的密度測量值與文獻值符合的較好，說明所用儀器和測定方法可靠.

表2 20 ℃時磷酸的密度測量值與文獻值比較

2．2.2 磷酸的密度測量與關聯(lián) 磷酸在不同濃度和不同溫度下的密度測量結(jié)果列于表3.

表3 磷酸密度的測量值

由表3中的數(shù)據(jù)將磷酸密度[ρ/(g·cm-3)]與溫度(t/℃)、質(zhì)量分數(shù)(w)關聯(lián)得：

(2)

采用此式計算實驗范圍內(nèi)磷酸的密度，與實驗值相比，最大正相對偏差0.21%，最大負相對偏差-0.23%，平均相對離差0.068%.圖1為磷酸密度測量值與計算值的比較,由圖1可見,式(2)很好表達了磷酸的密度與溫度和質(zhì)量分數(shù)之間關系.

圖1 磷酸密度測量值與計算值比較

2．2 磷酸黏度測量與關聯(lián)

2.2.1 烏式黏度計的可靠性驗證 為了驗證試驗方法和烏式黏度計可靠性，測定了磷酸在25 ℃和常壓下的黏度，與文獻值[1]的數(shù)值進行了比較，其結(jié)果見表4.由表4可知，磷酸黏度的測量值與文獻值符合的較好，說明所用儀器和測定方法可靠.

表4 25 ℃時磷酸水溶液的黏度測量值與文獻值比較

2．2.2 磷酸黏度測量與關聯(lián) 磷酸水溶液在不同濃度和不同溫度下的黏度測量結(jié)果列于表5.

表5 磷酸黏度的測量值

由表5中的數(shù)據(jù)將磷酸的黏度[μ/(mPa·s)]與溫度(t/℃)、質(zhì)量分數(shù)(w)關聯(lián)得：

μ=10 297(w3-2.020 1w2+1.375w-0.311 4)

(3)

采用此式計算實驗范圍內(nèi)磷酸的黏度，與實驗值相比，最大正相對偏差3.0%，最大負相對偏差-5.0%，平均相對離差1.83%.圖3為磷酸水溶液的密度測量值與計算值比較,由圖2可見,式(3)很好表達了磷酸的黏度與溫度和質(zhì)量分數(shù)之間關系.

圖2 磷酸黏度測量值與計算值的比較

3 結(jié) 語

a.測定了在248.15～298.15 K下,質(zhì)量分數(shù)為0.70～0.85時磷酸的密度和黏度.

b.將磷酸密度測量值與溫度、質(zhì)量分數(shù)關聯(lián)得到式(2)，用此式計算磷酸的密度，與測量值相比，最大正相對偏差0.21%，最大負相對偏差-0.23%，平均相對離差0.068%.

c.將磷酸黏度測量值與溫度、質(zhì)量分數(shù)關聯(lián)得到式(3)，用此式計算磷酸的黏度，與測量值相比，最大正相對偏差3.0%，最大負相對偏差-5.0%，平均相對離差1.83%.

參考文獻：

[1] 劉光啟，馬連湘.化學化工物性手冊·無機卷[M].北京：化學工業(yè)出版社，2002：3．

[2] 肖立華，曾波.電子級磷酸的研究進展[J].云南化工，2007，34(6)：60-63.

[3] 阿爾頓 J,瑞赫瑪克 S,伊霖 P,等．通過磷酸半水合物的結(jié)晶制備磷酸的方法：中國，1344226[P]．2002-04-10．

[4] 李天祥，解田，劉飛，等．一種電子級磷酸的生產(chǎn)方法：中國，1850590[P]．2006-10-25．

[5] 劉海島，尹秋響．熔融結(jié)晶及其耦合技術(shù)研究的進展[J]．化學工業(yè)與工程，2004,21(5)：367-370．

[6] 朱健．熔融結(jié)晶法生產(chǎn)電子級磷酸：中國，1873900[P]．2006-10-11．