杂质对磷酸二氢钾冷却结晶过程的影响

2020-06-15齐亚兵杨清翠

应用化工 2020年5期

齐亚兵，杨清翠

(西安建筑科技大学化学与化工学院，陕西西安 710055)

磷酸二氢钾(KDP)是一种重要的精细磷酸盐，其在工业、农业、食品、医药业均有广泛应用。当前生产KDP的主要方法有：中和法、复分解法、萃取法、直接法、结晶法、离子交换法和电解法等。其中，萃取法由于具有生产过程简单、反应条件温和、污染小、能耗低、成本低等优点，在化学工业中得到了广泛的应用[1-13]。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

磷酸二氢钾、硫酸钾、磷酸二氢钙、磷酸二氢铵、氯化钾、丙酮、喹啉、柠檬酸、硝酸、钼酸钠、无水乙醇均为分析纯；去离子水，市售。

DC1006低温恒温槽；DJ1-60精密增力电动搅拌器；SHB-Ⅲ循环水真空泵；101-OAB电热鼓风干燥箱；DT-2234B智能型数字转速表；500 mL MSMPR结晶器，自制；ZA22OR4电子分析天平。

1.2 实验方法

KDP的冷却结晶工艺流程见图1。具体过程为：准确称取一定量的KDP于500 mL的三口烧瓶中，用量筒准确量取一定体积的去离子水置于三口烧瓶中，将三口烧瓶固定在低温恒温槽的水浴槽内，调节温度至预先设定值，温度误差应控制在±0.05 ℃。在设定温度下恒温搅拌1 h，使三口烧瓶内的KDP完全溶解。准确称取一定量的晶种加入到饱和溶液中，开启机械搅拌器，同时开启降温程序开始降温，待温度达到结晶温度时，保持温度不变，保持一定的时间。结晶结束后，迅速抽滤，将所得固体产品放置于80 ℃常温干燥箱内干燥8 h后称重。

图1 磷酸二氢钾的冷却结晶工艺流程图Fig.1 The cooling crystallization process ofpotassium dihydrogen phosphate1.低温恒温槽；2.MSMPR结晶器；3.机械搅拌器；4.温度计；5.电动机；6.铁架台

1.3 纯度分析

采用HG/T 4511—2013[14]标准中的磷钼酸喹啉重量法测定磷酸二氢钾的纯度。利用在酸性介质中，磷酸根与喹钼柠酮形成沉淀，后经过滤、干燥、称量，从而计算出磷酸二氢钾的纯度。磷酸二氢钾纯度以磷酸二氢钾(KH2PO4)质量分数(w)计，按下式计算：

(1)

式中m1——实验溶液生成磷钼酸喹啉沉淀的质量，g；

m2——空白实验溶液生成磷钼酸喹啉沉淀的质量，g；

m——试料的质量，g；

0.061 5——磷钼酸喹啉换算成磷酸二氢钾的系数。

2 结果与讨论

2.1 Cl-对KDP结晶的影响

配制42 ℃的KDP饱和溶液，加入一定量的KCl，使其完全溶解。加入平均粒径603 μm的KDP晶种10.03 g，搅拌速率为400 r/min，以0.3 ℃/min的降温速率降温，待溶液达到36 ℃时，保持此温度不变，养晶60 min，研究不同Cl-浓度对KDP结晶产品产量及纯度的影响，结果见图2和图3。

图2 Cl-浓度对KDP产量的影响Fig.2 Effect of Cl- concentration on production of KDP

图3 Cl-浓度对KDP纯度的影响Fig.3 Effect of Cl- concentration on purity of KDP

由图2、图3可知，随着结晶母液中Cl-浓度的升高，KDP的产量在逐渐降低。Cl-浓度从1.19 g/L增加到4.76 g/L，KDP产量从16.85 g降到16.29 g；Cl-浓度为1.19 g/L时KDP的产量最高；Cl-浓度对KDP的产量影响不明显。随着Cl-浓度的升高，KDP的纯度也在逐渐降低。Cl-浓度从1.19 g/L 增加到4.76 g/L，KDP纯度从99.51%降到97.5%；Cl-浓度为1.19 g/L时KDP的纯度最高；Cl-浓度对KDP的纯度影响较明显。

2.2 Ca2+对KDP结晶的影响

配制42 ℃的KDP饱和溶液，加入一定量的Ca(H2PO4)2·H2O，使其完全溶解。加入平均粒径603 μm的KDP晶种10.01 g，搅拌速率为400 r/min，以0.3 ℃/min的降温速率降温，待溶液达到36 ℃时，保持此温度不变，养晶60 min，研究不同Ca2+浓度对KDP结晶产品产量及纯度的影响，结果见图4和图5。

图4 Ca2+浓度对KDP产量的影响Fig.4 Effect of Ca2+ concentration on production of KDP

由图4、图5可知，随着Ca2+浓度的升高，KDP晶体的产量在降低。Ca2+浓度从0.397 g/L增加到1.587 g/L，KDP产量从16.15 g降低到13.52 g；Ca2+浓度为0.397 g/L时KDP晶体的产量最高，Ca2+浓度对KDP的产量影响较明显。随着Ca2+浓度的升高，KDP晶体的纯度也在逐渐降低；Ca2+浓度从0.397 g/L增加到1.587 g/L，KDP纯度从99.35%降低到97.44%；Ca2+浓度为0.397 g/L时KDP晶体的纯度最高，Ca2+浓度对KDP的纯度影响较明显。