ПОСЛІДОВНІСТЬ ВИКОНАННЯ РОБОТИ І ПРОВЕДЕННЯ РОЗРАХУНКІВ
Для виконання роботи необхідно розрахувати норму фосфорної кислоти, тобто її кількість (Р2О5) на розкладання масової одиниці фосфату. За основним рівнянням розкладання фосфориту стехіометрична норма чистої (термічної) кислоти для апатитового концентрату, який має мало домішок, становить:
, (1)
де [Р2О5ап] – вміст Р2О5 в апатиті, %;
[Р2О5к] – вміст Р2О5 фосфатній кислоті, %;
g – наважка апатитового концентрату, г;
2,33 - кількість масових одиниць Р2О5 кислоти на масову одиницю Р2О5 в апатиті за стехіометрією.
Якщо використовують фосфати зі значним вмістом домішок (таблиця 1), то розрахунок ведуть на всі можливі реакції:
СаСО3 + 2H3PО4 = Са(Н2РO4)2 ∙Н2O + CО2↑, (2)
MgСО3 + 2H3PО4 = Mg (Н2РO4)2 ∙Н2O + CО2↑, (3)
R2О3 + 2H3PО4 + Н2O = 2RPО4 ∙2Н2O, (4)
де R2О3 – оксиди тривалентних металів Аl2O3 та Fe2O3.
За реакцією (2) на 1 масову частину СаО витрачається 2,54 масових частин Р2О5к, за рівнянням (3) - 3,35 Р2О5к, за реакцією (4) – 1,39 Р2О5к на А12О3 та 0,89 Р2О5к на Fe2О3. Якщо позначити вміст компонентів у фосфаті, %: Р2О5 – х, СаО – х1, MgO – х2; А12О3 – х3; Fe2О3 – х4, то стехіометрична норма кислоти у цьому випадку становить:
(2)
Якщо використовують не термічну, а екстракційну фосфатну кислоту, тоді доцільно враховувати її склад. Позначимо компоненти кислоти, %: Р2О5 – х'; CaO – х1'; MgO – х2'; А12О3 – х3'; Fe2О3 – х5' і SО3 – х5'. Норма кислоти в цьому випадку становить:
(3)
де 1,78 – масова частина P2О5, яка утворилася з масової одиниці SO3; за
рівнянням:
СаО ∙ P2О5 + SO3→ СаО∙ SO3 + P2О5
Таблиця 1 – Хімічний склад фосфагної сировини
| Природний фосфат | Вміст,% | ||||||||
| P2О5 | СаО | MgO | СО2 | Fe2О3 | А12О3 | F | SO2 | Sr | |
| Хібінський апатитовий концентрат | 39,40 | 52,00 | 0,1-0,2 | - | 0,1-0,5 0,5-0,9 R2О3 | 2,8-3,1 | 0,2-1,5 | 2,5 | |
| Кінгісепський | 28,30 | 42,44 | 1,8-2,5 | 4,0-6,0 | 1,5-2,0 | - | 2,7-2,9 | - | - |
| Каратау | 24,5-28,5 | 39,5-43,5 | 2-3,5 | 5,0-8,0 | 2,4-3,3 | - | 2,5-2,9 | - | |
| Ковдороський | 36,0-38,0 | 49,0-52,6 | 2,0-5,0 | 0,6-1,9 | - | 0,8-1,2 | |||
| Стремигородський | 38,8 | 51,5 | - | - | 0,84 | 2,0-7,0 | 0,35 1 | 5,24 | - |
| Новополтавський | 33,7-40,6 | 49,8-52,7 | 0,4-0,8 | 1,6-8,0 | 0,4-0,9 | 0,5-1,7 | 2,1-2,7 | - | - |
| Терчинський | 39,8 | 55,1 | - | - | - | 1,07 | 0,8-1,0 | 1,0-1,51 | - |
Попередньо розраховану кількість фосфатної кислоти на 25-50 г фосфату за завданням викладача відмірюють за допомогою мірного циліндра і заливають у фарфоровий реактор (1), що знаходиться у водяній бані (2). Кислоту підігрівають до 70-80 °С, після чого у реактор повільно засипають зважену кількість фосфату та продовжують перемішування ще 20-30 хвилин. Після цього відбирають з пульпи пробу на аналіз та визначають коефіцієнт розкладання сировини за період експерименту. Пульпу вивантажують у фарфорову чашку і заміряють час її затвердіння.
За класичною методикою аналізу фосфорних добрив, перш за все, з продукту одержують водну та цитраторозчинну витяжки, в яких визначають всі форми Р205 - вільну, водорозчинну, цитраторозчинну, а залишок є нерозкладеною частиною фосфату. Проведення такого аналізу потребує багато часу.
Існують прискорені аналітичні методи: катіонітний, трилонометричний, фотоколориметричний. Але всі вони придатні для аналізу свіжого або кінцевого продукту, коли розкладання сировини хоча й продовжується, та швидкість процесу дуже невелика, тобто основні показники залишаються практично незмінними досить довгий час.
У межах лабораторної роботи такі аналізи виконати можливо, але самі процеси розкладання фосфату та підготовки продукту до аналізу (охолодження, твердіння, дрібнення, відбір середньої проби) теж тривалі. Тому нижче рекомендується аналізувати пробу пульпи об'ємним методом на зразок описаного раніше в лабораторній роботі №1, як для простого суперфосфату.
Відбирають ложечкою 5-10 мл пульпи і швидко переносять її в колбу з великим об'ємом дистильованої води (0,5-1,0 л). Вміст колби збовтують 3-5 хвилин і фільтрують через сухий фільтр, відкидаючи перші порції фільтрату. Відбирають піпеткою 25 мл розчину і переносять його у конічну колбу, куди доливають 100 мл води та додають 2-3 краплі метилового оранжевого. Титрування проводять 0,1 Н розчином NaOH до жовтого забарвлення, відмічаючи його витрати (a). Після цього додають у розчин 1-2 краплі фенолфталеїну і продовжують титрування до появи рожевого забарвлення. Відмічають кількість 0,1 Н розчину NaOH, яку було витрачено на друге титрування (b).
За одержаними даними визначають коефіцієнт розкладання фосфату. При вилуговуванні пульпи з апатитового концентрату в розчин переходять фосфатна кислота і монокальційфосфат. Масове співвідношення Н3РO4 : Са(Н2РO4)2,тобто (Аап) визначають за рівнянням:
(4)
Якщо норма 100 % фосфатної кислоти на розкладання 100 г апатиту становить Н (в г), тоді можна визначити кількість утвореного монокальційфосфату:
(6)
де 234 та 98 – молярні маси Са(Н2РO4)2і Н3РO4 відповідно, г.
Фосфатної кислоти, що не прореагувала, залишилось (Н - х) г. Тоді відношення монокальційфосфату (Аап) становить:
(7)
Звідки:
(8)
За рівнянням (1) з 1,5 молей Р2O5 в апатиті (142∙1,5 = 213 г) утворюється теоретично 5 молей Са(Н2РO4)2, тобто 234∙5 = 1170 г. За час досліду утворилося монокальційфосфату Gмкф, а за стехіометрією повинно утворитися
(9)
де Р2O5ап – вміст Р2O5 в апатитовому концентраті, тобто 39,4 %.
Тоді коефіцієнт розкладання апатиту можна визначити за рівнянням:
(10)
Важливим показником процесу є ступінь використання фосфатної кислоти або, як прийнято називати, коефіцієнт розкладання по кислоті Кфк (%).
(11)
де Нс – стехіометрична форма фосфатної кислоти (100 %-ної) на розкладання апатитового концентрату, г;
а – коефіцієнт надлишку кислоти.
При розкладанні інших видів сировини враховують те, що фосфатна кислота реагує з домішками, які при вилуговуванні теж переходять в розчин. Результати розрахунків та аналізів зводять у таблицю :
| Вихідні речовини | Норма кислоти, Н,г | Час розкладу, хв. | Кап (Кф),% | Кфк % | |||||
| Назва | Склад | ||||||||
| P2О5 | СаО | MgO | R2O3 | SO3 | |||||
ТЕХНІКА БЕЗПЕКИ
1. Змішування фосфату з фосфатною кислотою необхідно проводити поступово, засипаючи фосфат в кислоту порціями при інтенсивному перемішуванні.
2. Змішування реагентів, яке супроводжується виділенням фторвмісних газів, проводити лише в діючій витяжній шафі.
3. Фосфатну кислоту підігрівати в фарфоровому реакторі лише на водяній бані.
4. Обережно поводитися з кислотами, стежачи за тим, щоб кислота не потрапила на руки або обличчя. При попаданні кислоти на шкіру необхідно відразу ж промити вражене місце великою кількістю води і обробити спиртом.
5. Не залишати включену установку без нагляду.