Fosforihapon epäpuhtauksien uuttaminen

Abstract

Fosforihappoa tuotetaan yleisesti sekä märkäprosessilla että termisellä prosessilla. Märkäprosessilla tuotettuun fosforihappoon jää erilaisia epäpuhtauksia, joita ei happoa käytettäessä saisi olla. Yleisimmät epäpuhtaudet ovat erilaiset fluoridit, kloridit ja metallit. Tämän opinnäytetyön tavoitteena oli selvittää, kuinka hyvin nämä epäpuhtaudet saadaan poistettua uuttamalla happoa liuottimella, jossa on 80 % tributyylifosfaattia (TBP) ja 20 % ExxsolTM D80 -laimenninta. Työn kokeellisessa osiossa tehtiin uutto-, pesu- ja strippauskokeita erilaisissa olosuhteissa. Näistä kokeista saaduista näytteistä tehtiin metallianalyysejä AAS-laitteella, kokonaishappomääritykset titraamalla, fluoridimääritykset fluoridielektrodilla, sekä sulfaatti- ja alumiinimääritykset gravimetrisesti. Uutoista, pesuista ja strippauksista mitattiin faasien erottumisaikoja molemmista jatkuvuuksista, jotta niiden keskinäiset eroavuudet voitaisiin määrittää. Uuttokokeet tehtiin kahdessa eri lämpötilassa (40 °C ja 60 °C) eri faasisuhteilla. Pesu- ja strippauskokeet tehtiin 50 °C:ssa. Uuttokokeet tehtiin viidellä eri faasisuhteella sekoittaen fosforihappoliuosta ja liuotinta 20 minuutin ajan vakiolämpötilassa (40 ja 60 °C). Jokaisesta sekoituksesta mitattiin faasien erottumisajat sekoituksen loputtua. Uuttokokeista analysoitiin jäljelle jääneet vesifaasit eli fosforihappoliuokset. Pesukokeet tehtiin käyttämällä uuttokokeista faasisuhteilla 7 ja 3 saatuja ladattuja orgaanisia faaseja ja sekoittamalla niitä 20 minuuttia 20 %:sen fosforihappopesuliuoksen kanssa. Orgaaniset faasit pestiin kahteen kertaan ja molemmista jatkuvuuksista mitattiin faasien erottumisajat. Jäljelle jääneet pesuliuokset analysoitiin. Strippauskokeissa pesukokeissa pestyjä orgaanisia faaseja sekoitettiin ionivaihdetun veden kanssa 20 minuuttia erilaisilla faasisuhteilla. Myös strippauskokeista mitattiin erottumisaikoja ja jäljelle jääneet vesifaasit analysoitiin (ionivaihdettu vesi). Tarkoituksena oli selvittää, kuinka hyvin epäpuhtaudet saadaan uutettua pois fosforihappoliuoksesta, jotta ne eivät siirtyisi lopulliseen tuotehappoon. Myös strippausvaiheiden määrää ja lopullisen fosforihappoliuoksen laatua selvitettiin. 40 °C:een uutossa faasisuhteella 7 askelten määrä oli 4 ja faasisuhteella 11.3 5 kappaletta. 60 °C:een uutossa samat arvot olivat 5 ja 6 kpl. Strippausaskelten määrää ei saatu selville tuloksissa esiintyneen virheen vuoksi. Epäpuhtauksien osalta voidaan todeta, että vain hyvin pieni osa siirtyy lopulliseen tuotehappoon. Tuotehappoon siirtyi vain milligramman sadas- ja tuhannesosia kustakin epäpuhtaudesta. Tällä tavalla tehtynä käytettävässä uuttosysteemissä tulisi olla viisi uuttovaihetta, kaksi pesuvaihetta ja neljä strippausvaihetta.

Extraction of the impurities in phosphoric acid. The manufacturing of phosphoric acid can be carried out by two methods: wet process and thermal process. When using the wet process, the product acid contains various impurities that cannot be tolerated when the acid is used in certain applications. The most common impurities are diverse fluorides, chlorides and metals. The aim of this thesis was to find out how well these impurities can be removed from the acid by extraction, when the solvent contains 80 % of tributyl phosphate (TBP) and 20 % of ExxsolTM D80 -diluent. In the experimental part, several extraction, washing and stripping stages were made in different circumstances. Samples were analyzed in different ways. Metal analyses were made with AAS-machine, total acid count by titration, fluoride measurements with fluoride-electrode and sulfate and aluminum analyses with gravimetric methods. While making the extractions, washings and strippings, the time of phase separation was measured from both continuances so that the differences between them could be determined. The extraction experiments were done in two temperatures (40 °C and 60 °C) with various phase ratios. The washings and strippings were made in a temperature of 50 °C. The extractions were made in five phase ratios by mixing the phosphoric acid solution and the organic solvent in steady temperature for 20 minutes. After every mixing, the time of phase separation was metered. The remaining water phases, aka phosphoric acid solutions, were analyzed. The washing tests were carried out by using the loaded organic phases from the extractions made with phase ratios of 7 and 3. The washing was made with 20 % phosphoric acid dip by mixing the organic solvents with the dip for 20 minutes in temperature of 50 °C. The organic phases were washed two times and phase separation times were measured from both phase continuances. The remaining dips were analyzed. In the stripping stage the washed organic phases were mixed together with distilled water in different phase ratios. Separation times were also measured and remaining water phases were analyzed. The aim of this thesis was to determine how well the impurities can be removed from the phosphoric acid. Also the amount of stripping stages and the quality of the product were studied. The needed extraction stages in 40 °C were, with phase ratio 7, 4 and with ratio 11.3 5. In 60 °C extraction the same amounts were 5 and 6. The amount of stripping stages could not be determined due to some calculation mistake. It can be said that the product acid does not contain impurities very much. Only low concentrations were measured. If this method shall be used, the extraction system should include five extraction, two washing and four stripping stages.