اسید فسفریك دومین اسید معدنی پر مصرف در دنیا است و به عنوان ماده اولیه در تولید شوینده­ها، محصولات غذایی و دارویی به کار می­رود. بدین لحاظ خالص­سازی اسید فسفریک یکی از نیازهای ضروری صنایع مصرف کننده از آن به شمار می­رود. 95% اسید مصرفی در صنایعی که نیاز به اسید فسفریک خالص دارند به روش حرارتی و تنها 5% آن به روش تر تولید می­شود. اسید تهیه شده به روش حرارتی دارای خلوص بالا بوده ولی هزینه تولید آن بسیار بالا است. با توجه به افزایش سالانه 3/2 تا 5/2%  نیاز به اسید فسفریک خالص، کاهش هزینه تولید آن یکی از نیازهای روز صنعت به شمار می­رود. برای خالص سازی اسید فسفریک تولید شده به روش تر، معمولاً روش استخراج برای حذف عمده ناخالصی­ها انجام شده و برای بالا بردن بیشتر خلوص آن از روش­هایی مانند اولترافیلتراسیون، جذب سطحی، کریستالیزاسیون و تبادل یون استفاده می­شود. این روش­ها با معایبی از قبیل سختی انجام فرآیند، هزینه بالای تأمین و نگهداری تجهیزات، هزینه بالای رزین­ و نیاز به احیای آن روبه رو هستند. همچنین فرآیندهای تبادل یون و جذب سطحی در غلظت­های پایین بازده مناسب­تر هستند.

در این پروژه به منظور حذف ناخالصی­های فلزی از اسید فسفریک تر از روش جداسازی جزء به جزء با کف استفاده شده است که روشی جدید برای انجام این فرآیند محسوب می­شود.

اساس روش جداسازی جزء به جزء با کف، جذب سطحی ناخالصی­ها بر روی کف­های بالارونده از ستون است که همراه با خود، ناخالصی­ها را از درون خوراک خارج کرده و محصولی خالص به جای می­گذارد. این روش علاوه بر بازده بالا، مزیت­هایی از قبیل سهولت در انجام فرآیند، هزینه کم عملیاتی و مصرف انرژی پایین را دارد. همچنین به علت عدم استفاده از حلال­های شیمیایی، فرآیندی سبز به شمار می­رود.

قابلیت این فرآیند در حذف ناخالصی­های اسید فسفریک، تأثیر سرعت هوای ورودی، زمان، غلظت و انتخاب پذیری سورفکتانت­ها نسبت به هر فلز با استفاده از سورفکتانت­های KEN10، SDS و SFD بررسی شد. همچنین تمامی آزمایش­ها در حالت نیمه پیوسته انجام گردید.

برای سورفکتانت KEN10، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 043/0 و غلظت بهینه برابر با 1.2CMC (CMC=0.229 mg/cc) به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با %19/31 ، نسبت غنی سازی برابر با 95/1 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با 9% است.

برای سورفکتانت SDS، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 020/0 و غلظت بهینه برابر با 2CMC (CMC=0.35 mg/cc) به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با %20/70، نسبت غنی سازی برابر با 39/4 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با % 26/8 است.

برای سورفکتانت SFD، سرعت بهینه هوای ورودی برابر یا cm/min 014/0 و غلظت بهینه برابر با CMC (CMC=2.33 mg/cc)  به دست آمد. در این شرایط درصد حذف کلی فلزات برابر با 93/59% ، نسبت غنی سازی برابر با 28/4 و درصد اسید فسفریک از دست رفته برابر با 71/4% است.

همچنین با انجام دو مرحله آزمایش، درصد حذف کلی فلزات برای سورفکتانت­ SDS برابر با 31/95% و برای سورفکتانت SFD برابر با %09/91 به دست آمد.

کلمات کلیدی:  اسید فسفریک، جزء به جزء کردن کف، حذف فلزات، نونیل فنل اتوکسیلات، سدیم دودسیل سولفات، دی سدیم لورت 3 سولفوسوکسینات.

فصل اول

اسید فسفریک

کشف فسفر توسط برانت[1] در سال 1669 سبب شد تا محصول احتراق آن، فسفر پنتا اکسید(P2O5) به زودی شناخته شود. در سال 1694، بویل[2] برای نخستین بار از انحلال P2O5 در آب توانست اسید فسفریک را فراهم آورد و در سال 1769 میلادی موفق شدندکلسیم فسفات را که از اجزای اصلی استخوان است، از آن جدا نمایند. حدود 30 سال بعد، به نقش مفید کلسیم فسفات در کشاورزی و افزایش رشد نباتات پی بردند. به مرور زمان اهمیت و موارد مصرف اسید فسفریک شناخته شد [1].

فسفر به شکل انواع فسفات­ها، یکی از اجزای اصلی تشکیل دهنده ساختار موجودات زنده بوده و کاربرد کودهای فسفاته طبیعی مانند استخوان انسان، ماهی و فضله پرندگان در کشاورزی سابقه طولانی دارد. صنعت فسفات به شکل مدرن از اواسط قرن نوزدهم با ساخت کودهای فسفاته آغاز گردید که در آن زمان از اثر اسید سولفوریک بر استخوان یا منابع معدنی فسفات، برای تغلیظ و فراهم ساختن میزان فسفر قابل دسترسی بیشتر استفاده می‌گردید. به موازات گسترش کاربرد کودهای فسفاته، روش­های ساخت فسفر عنصری و اسید فسفریک نیز تنوع یافت [1, 2].

اسید فسفریک که با نام­ اورتو فسفریک اسید نیز شناخته می شود، اسیدی معدنی، شفاف، بی رنگ و بو با فرمول شیمیایی H3PO4  است. ساختار شیمیایی آن در شکل (1-1) و مشخصات فیزیکی آن در جدول (1-1) آمده است.

اسید فسفریک یک اسید سه ظرفیتی است و از اسیدهای آلی مانند استیک اسید، سیتریک اسید و لاکتیک اسید قوی­تر و از اسیدهای معدنی مثل نیتریک اسید، سولفوریک اسید و هیدروکلریک اسید ضعیف­تر است. این اسید به راحتی با بازها واکنش داده و تولید فسفات های قلیایی می­کند و در دمای بالا نسبتاً فعال شده و با فلزات و اکسیدهای فلزی واکنش می­دهد. اسید فسفریک گرانترین اسید معدنی عرضه شده در بازار است و همچنین از نظر حجم مصرفی بعد از اسید سولفوریک در مقام دوم قرار دارد. مهمترین مصرف اسید فسفریک تبدیل آن به نمک­های فسفات در تولید کودهای شیمیایی است [4].

اسید فسفریک کاربردهای بسیار زیادی در صنایع شیمیایی و غذایی دارد و خواص فیزیکی و خلوص مورد نیاز اسید در هر یک از این کاربردها متفاوت است. اسید فسفریک در 4 خلوص تجاری[3]، غذایی[4]، دارویی[5] و آزمایشگاهی[6] وجود دارد که ترکیب درصد مجاز مواد آن در جدول (1-2) آمده است.