Исследование свойств триполифосфата натрия

Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный технический университет

 

 

 

 

 

 

 

 

Семестровая работа

Тема: Исследование свойств триполифосфата натрия

 

 

 

Выполнил:

студент гр. ХТ-442

Львов А.Н.

Проверил:

Козловцев В.А.

 

 

 

 

 

 

 

Волгоград, 2014

Содержание

 

Введение………………………………………………………………………..….3

1. Триполифосфат натрия. Общие сведения………………………………..…...4

2. Основные стадии производства и технологическая схема получения триполифосфата натрия нейтрализацией фосфорной кислоты кальцинированной содой………………………………………………………..10

3. Физико-химические свойства триполифосфата натрия…………………….13

3.1 Гидролитическое расщепление в растворах……………………………….13

3.2Комплексообразование……...…………………………………………..…...14

3.3Растворимость………..…………………………………………...……….….15

3.4 Вязкость, плотность и показатель преломления водных раство…….…...16

Заключение………………………………………………………....…………….17

Список использованных источников……………………………………...……18

 

 

Введение

 

Еще сравнительно недавно понятие «применение фосфатов» ассоциировалось главным образом с понятиями «ортофосфаты» и «фосфорные удобрения». По мере роста производства триполифосфатов и увеличения спроса на эти соединения, область их использования значительно расширилась. Они охватывают разнообразные отрасли промышленности и сельского хозяйства.

При дегидратации ортофосфатов натрия образуются различные конденсированные фосфаты. В зависимости от строения их относят к метафосфатам или полифосфатам.

Метафосфаты имеют общую формулу Мn(PO3)n. Их структура характеризуется образованием кольцеобразных анионов. Метафосфаты являются солями очень сильных кислот (водные растворы имеют нейтральную реакцию).

Полифосфаты имеют общую формулу Мn+2PnO3n+1 или МnH2PnO3n+1, где n может быть равно от 1 до ~106. Они характеризуются тем, что их анионы состоят из неразветвленных цепей, представляющих собой (РО4) – тетраэдры, связанные друг с другом атомами кислорода. Отношение заряда катионов к количеству атомов фосфора приближается к 1:1 с возрастанием длины цепи.

Среди полифосфатов наиболее известен триполифосфат натрия. (Na5P3O10). В настоящее время триполифосфат натрия является основным комплексообразователем, используемым в составе синтетических моющих средств (СМС) для повышения моющей способности поверхностно-активных веществ. В связи с этим, для решения практических вопросов касающихся использования жидких СМС необходимо изучить свойства растворов, содержащих полифосфаты. К таким свойствам относятся: растворимость, вязкость, пересыщение и др.

 

1. Триполифосфат натрия. Общие сведения

 

Химически чистый триполифосфат натрия имеет формулу Na5P3O10. Молекулярная масса соли равна 368 г/моль, а её истинная плотность 2500 кг/м3. Температура плавления равна 622 ºС, причём плавление сопровождается разложением триполифосфата натрия до метафосфата натрия (Na(PO3)x) и пирофосфата натрия (Nа4Р2О7).

Известны две безводные кристаллические формы: высокотемпературеая (фаза 1) и низкотемпературная (фаза 2). Переходу от фазы 2 до фазы 1 соответствует температурный интервал от 410 до 425 ºС. 1-ая фаза триполифосфата натрия называется также «комкующейся», так как растворение её в воде приводит к образованию плотных комков. Когда продукт находится в тонкоизмельчённом состоянии, переход фазы 1 в фазу 2 протекает очень медленно, поэтому вся фаза 1 в случае образования при дегидратации смеси ортофосфатов остаётся в охлаждённом продукте в почти неизменном виде.

На воздухе порошок триполифосфата натрия медленно гидратируется с образованием гексагидрата (Na5P3O10∙6Н2О).

Основная часть триполифосфата натрия расходуется на производство CMC, однако он также находит широкое применение в других отраслях:

- для умягчения воды для питания котлов с целью предотвращения выпадения осадков и накипи;

- в текстильной и кожевенной промышленности для отбелки и мойки;

- для флотации руд;

- для диспергирования красок;

- в производстве синтетического каучука;

- в электролизных процессах;

- для стабилизации пергидроля;

- при бурении нефтяных скважин;

- в производстве бумаги для отбелки;

- в стекольной и керамической промышленности и др.

Пищевой триполифосфат натрия применяется в мясной промышленности - используется как стабилизатор, регулятор кислотности, фиксатор окраски, антиоксидант, для улучшения текстуры мясных и рыбных продуктов; в роли соли-плавителя в производстве плавленых сыров, в качестве добавки при производстве сливок, сухого и сгущенного молока, в кондитерской промышленности.

Кроме пищевой промышленности трифосфаты очень широко используются в производстве бытовой химии и косметических средств. Основная часть производимого триполифосфата натрия расходуется на производство моющих средств.

Физико-химические показатели технического триполифосфата натрия должны отвечать требованиям ТУ 2148-095-23380904-2004 указанным в таблице 1. Заявленный товарный знак - «Полиформаттм», реализуется под следующими торговыми марками:

Полиформаттм 1211 - быстрогидратируемый порошок по спецификации компании «Проктер энд Гэмбл» (P&G);

Полиформаттм 1212 «А» - медленногидратируемый порошок по спецификации компании «Проктер энд Гэмбл» (P&G);

Полиформаттм 1212 - порошкообразный безводный категории 1;

Полиформаттм 1213 - порошкообразный безводный категории 2;

Полиформаттм 1226 - гексагидрат триполифосфата натрия кристаллический;

 

Таблица 1 – Показатели качества технического триполифосфата натрия

Наименование показателя	Полиформаттм 1211	Полиформаттм 1212«А»	Полиформаттм 1212	Полиформаттм 1213	Полиформаттм 1226
1. Внешний вид	белый свободно текущий порошок без посторонних включений				белый кристаллический порошок без посторонних включений
2. Массовая доля триполифосфата натрия (Na5P3O10), %, не менее	94,0	94,2	94,0	90,0	72,0
3. Массовая доля P2O5, %	55,5-57,5*)	55,5-57,5*)	56,0-57,0*)	55,0-56,0*)	43,0-46,0
4. Массовая доля первой формы триполифосфата натрия, %	10-60	10-60 (40)	10-60**)	не более 20**)	-
5. Массовая доля соединений железа в пересчёте на Fe+3, %, не более	0,010	0,010	0,006	0,010	0,010
6. Массовая доля нерастворимых в воде веществ, %, не более	0,10	0,10	0,10	0,10	0,10
7. Степень прозрачности раствора триполифосфата натрия с массовой долей 1%, не менее	-	-	90	85	90
8. рН раствора триполифосфата натрия с массовой долей 1%, ед. рН	9,2-10,3	9,2-10,3 (9,8)	9,4-10,0	9,4-10,0	9,0-9,8
9. Степень белиз ны, %, не менее	-	-	83	80	85
10. Цвет по Хантеру:***) L	не менее 95	98,7	-	-	-
11. Скорость гидратации: ROH 1 минута -среднее за отчётный период -для индивидуаль ных поставок ROH 5 минут -среднее за отчётный период -для индивидуаль ных поставок Разность скоростей гидратации, не менее	91-92 ºС   88-95 ºС 94-96 ºС   91-99 ºС 1,5 ºС	81-88 ºС (86,5) 78-91 ºС 84-95 ºС (91,5) 81-98 ºС 1,5 ºС	-   - -   - -	-   - -   - -	-   - -   - -
12. Массовая доля летучих веществ, %	0,3-1,2	не менее 0,1	-	-	20-24
13. Гранулометрический состав, %: Массовая доля фракций, проходящих через сито с сеткой: -1000 микрон (№1 по ГОСТ 6613), не менее -500 микрон (№0,5 по ГОСТ 6613), не менее -250 микрон (№0,25 по ГОСТ 6613) -150 микрон, не менее Массовая доля остатка на сите: -1600 микрон -1180 микрон -1000 микрон -425 микрон	-   - -   75   - - - не более 5,0	-   - - 76 - - - не более 5,0 (2)	99**)   85**) -   -   - - - -	98**)   85**) -   -   - - - -	-   не менее 90 -   - - - -
*) Превышение верхнего предела нормы допускается. **) Норма для показателя может быть изменена или уточнена по согласованию с потребителем. ***) Нормы приведены для красителей BASF, при использовании красителей с аналогичными или близкими характеристиками нормы могут быть изменены по согласованию с потребителем.

 

Продукт пищевой квалификации соответствует ГОСТ 13493-77. Применение триполифосфатов и средств, содержащих эти соединения, способствует сохранению питательных свойств продуктов, облегчает их обработку и придаёт им более привлекательный товарный вид. Эти соединения добавляют также в пищу для животных.

 

 

2. Основные стадии производства и технологическая схема получения триполифосфата натрия нейтрализацией фосфорной кислоты кальцинированной содой

 

При получении триполифосфата натрия раствор, образующийся при нейтрализации фосфорной кислоты карбонатом натрия выпаривают, а получающуюся смесь сухих солей подвергают дегидратации путем термообработки в температурном интервале 340 - 4000С. Способ обеспечивает получение низкотемпературной модификации триполифосфата натрия, устойчивой ниже 4500С. Он не слеживается во влажной среде и не комкуется при растворении в воде. Для стабилизации низкотемпературной формы триполифосфата натрия применяют добавки небольших количеств (до 1%) карбамида, азотной кислоты, нитрата аммония и т.д. Они также способствуют более полному переходу гидрофосфатов в триполифосфат и придают белизну целевому продукту.

Ортофосфаты NaH2PO4 Na2HPO4 в процессе термообработки реагируют по схеме:

 

2Na2HPO4 + NaH2PO4 = Na4P2O7 + NaPO3 + 2H2O

 

Процесс протекает с наибольшей скоростью при 185 - 2200С. Триполифосфат натрия частично образуется при быстрой первичной дегидратации ортофосфатов до 2300С. Основная же масса олигомерного трифосфата натрия получается по реакции полуфабрикатов:

 

Na4P2O7 + NaPO3 = NaP3O10

 

Оптимальной температурой процесса является 290 - 3100С. Процесс дегидратации исходных ортофосфатов натрия с образованием триполифосфата продолжается 15 - 30 мин.

Процесс выпарки растворов ортофосфата натрия с получением сухих солей, а также их дегидратацию осуществляют в одном совмещенном аппарате. Процесс проводят во вращающихся барабанных печах, которые могут быть использованы для совмещенной сушки и кальцинации исходных ортофосфатов. В этом случае для исключения налипания материала на стенки барабана упаренный раствор, содержащий около 32% Р2О5, смешивают с ретуром целевого продукта.

Разработан способ получения триполифосфата во вращающемся барабане, разделенном кольцевой перегородкой на 2 зоны. В первой зоне печи исходный раствор, вводимый в барабан посредством распыляющих форсунок, высушывается, а во второй протекают дальнейшие процессы. Барабан нагревается изнутри газовыми горелками.

Разработан также способ получения триполифосфата натрия в распылительных сушилках, представляющих собой вертикальную цилиндрическую башню. исходный раствор ортофосфатов подается под давлением и распыляется в потоке горячих газов, поступающих в верхнюю часть башни температурой 400 - 7000С и отходящих температурой 100 - 2000С. Из сушилки целевой продукт с влажностью менее 5% поступает для термообработки во вращающуюся или неподвижную печь с горизонтальными лопастными мешалками, служащими для передвижения материала. Термообработка сухих отрофосфатов натрия также может быть осуществлена в распылительной сушилке совместно с процессом сушки целевого продукта.

В производстве триполифосфата натрия применяют 2 способа:

1). в совмещенном  процессе с применением сушильно-прокалочной  распылительной печи;

2). с разделительной  сушкой исходного раствора в  распылительной сушилке и термообработкой  сухих ортофосфатов в турбокальцинаторе.

При совмещенном процессе стадии сушки раствора, термообработки сухих ортофосфатов натрия, а также охлаждения продукта происходят в одном аппарате - сушильно-прокалочной печи. На рисунке 1 приведена схема получения триполифосфата натрия таким способом. Согласно схеме, исходная фосфорная кислота из сборника 1 и карбонат натрия из бункера 2 поступают в реактор 3. Образующиеся растворы из реактора центробежным насосом 19 фильтруют через фильтр 4 и собирают в сборнике 5. Отфильтрованные растворы непрерывно питают выпарной аппарат 6. Упаренный до 60% -ной концентрации раствор из сборника 7 центробежным насосом 8 передают в напорный сборник 18, где они подогреваются и поступают в сушильно-прокалочную печь 17, где происходит выпаривание раствора, сушка, дегидратация исходных ортофосфатов и охлаждение триполифосфата. Температура в сушильно-прокалочной печи поддерживается теплом из газовой топки 16. Отработанные газы вместе с пылью проходят батарейный циклон 13 для очистки от пыли. Уловленная в бункере 14 пыль через мигалки 15 возвращается на первую прокалочную полку печи 17. Проходящие из циклона 17 газы дымососом 12 дополнительно очищаются от пыли в скруббере 9, орошаемом разбавленным исходным раствором, и, пройдя циклонный брызгоуловитель 10, выбрасываются в атмосферу.

Полученный в печи целевой продукт после грубого дробления на дробилке 20 пневмотранспортом подается в классификатор 21, откуда крупные частицы поступают на дополнительное измельчение на мельницы тонкого помола. Мелкий порошковидный материал улавливается в циклоне 22 поступает в бункер готового продукта 24.

Производимый из ЭФК триполифосфат натрия содержит примеси исходного сырья. К тому же эти примеси при получении целевого продукта действуют как каталитические пассиваторы на процесс дегидратации. Поэтому исходную кислоту, содержащую 20% Р2О5, 0,4 - 0,6% SO3 и 1,5 - 1,8% фтора, нейтрализуют карбонатом натрия до рН 7. Образующийся осадок, соcтоящий из фосфатов, сульфатов и кремнефторида натрия, отделяют на фильтре, а очищенный раствор упаривают в распылительной сушилке. При этом содержащиеся в растворе моно - и дигидрофосфат натрия дегидратируются при 4000С за счет тепла отходящих газов. Полученный продукт содержит 54,3 - 55% Р2О5, 2,8 - 3,5% Na2SO4, 1 - 1,5% NaF.

 

 

 

Рис.1 Схема получения триполифосфата натрия в сушильно - прокалочной печи: 1 - сборник ФК; 2,24 - бункер; 3 - реактор; 4 - фильтр; 5 - сборник раствора; 6 - выпарной аппарат; 7 - сборник; 8,19 - центробежный насос; 9 - скруббер; 10 - брызгоуловитель; 11 - сборник; 12 - дымосос; 13,22 - циклон; 14 - бункер; 15 - мигалки; 16 - газовая топка; 17 - сушильно прокалочная печь; 18 - напорный сборник; 21 - классификатор; 23 - вентилятор 
3. Физико-химические свойства триполифосфата натрия