فهرست مطالب

فصل1 : اسید فسفریک… 0

1-1. اسید فسفریک… 1

1-2.کاربردهای اسید فسفریک… 3

1-3. روش­های تولید اسید فسفریک… 6

1-3-1. فرایند تر. 7

1-3-2. فرایند حرارتی.. 10

1-3-3. مقایسه روش تر و روش خشك… 11

1-4. ناخالصی‌های اسید فسفریک تر. 11

1-5. خالص‌سازی اسید فسفریک تر. 17

1-5-1. خالص‌سازی اسیدفسفریک به روش رسوب دادن. 18

1-5-2. خالص‌سازی اسید فسفریک به روش جذب.. 20

1-5-3. خالص‌سازی اسیدفسفریک به روش های غشایی.. 22

1-5-4. خالص‌سازی اسیدفسفریک به روش کریستالیزاسیون. 24

1-5-5. خالص‌سازی اسیدفسفریک به روش استخراج.. 25

1-6. جمع بندی.. 33

فصل2 : روش جداسازی جزء به جزء با كف… 35

2-1. مقدمه. 36

2-2. روش جداسازی جزء به جزء با کف… 39

2-3. کاهش انرژی آزاد گیبس به دلیل جذب سطحی.. 48

2-4. نفوذ، مرحله کنترلی جذب مولکول­ها در سطح گاز-مایع. 52

2-5. جذب سورفکتانت­های یونی.. 54

2-6. ساختار کف… 55

2-7. مروری بر تاریخچه پیشرفت فرایند و کارهای انجام شده پیشین.. 58

فصل3 : شرح طراحی سامانه جداسازی جزء به جزء با کف و مراحل آزمایشگاهی.. 64

3-1. طراحی سامانه. 65

3-2. مواد اولیه مورد نیاز. 67

3-3. تجهیزات آزمایشگاهی و دستگاه­های آنالیز. 70

3-4. روش انجام آزمایش… 71

3-4-1. پیش تصفیه اسید فسفریک تر. 71

3-4-2. روش انجام آزمایش جداسازی جزء به جزء با کف… 72

3-4-3. پارامترهای مهم در ارزیابی فرایند. 74

فصل4 : بررسی نتایج آزمایشگاهی.. 76

4-1. مقدمه. 77

4-2. نتایج حاصل از خالص سازی اولیه اسید فسفریک… 77

4-3. نتایج حاصل از آزمایشات جداسازی جزء به جزء با کف… 78

4-3-1. تأثیر غلظت سورفکتانت روی کشش سطحی محلول. 79

4-3-2. تأثیر سرعت هوای ورودی روی عمکرد سیستم. 80

4-3-3. تأثیر غلظت سورفکتانت روی عملکرد سیستم. 88

4-3-4. تأثیر زمان بر روی پارامترهای عملکردی سیستم. 90

4-3-5. انتخاب پذیری سورفکتانت­ها نسبت به هر فلز. 92

4-3-6. تأثیر نوع سورفکتانت بر روی فرایند. 94

4-3-7. نتایج آزمایشهای دو مرحله­ ای برای سورفکتانتهای SDS و SFD.. 96

4-3-8. تأثیر غلظت سورفکتانت و سرعت هوای ورودی بر روی اندازه حباب­ها 97

فصل5 : نتیجه گیری و پیشنهادها 103

5-1. نتیجه گیری نهایی.. 104

5-2. مقایسه با کارهای انجام شده پیشین.. 106

5-3. پیشنهادها 108

فصل6 : منابع و مراجع. 109

شکل1-1. ساختار شیمیایی اسید فسفریک… 2

شکل1-2. کاربردهای اسید فسفریک [1] 7

شکل2-1. طبقه بندی روش­های جداسازی به وسیله جذب روی حباب [57] 38

 

شکل2-2. شکل شماتیک نحوه عملکرد فرایند جزء به جزء کردن کف… 40

شکل2-3. شماتیک یک حباب بالارونده در ستون کف [61] 40

شکل2-4. تأثیر پارامترهای مختلف در زمان تولید و پایداری کف [56] 42

شکل2-5. نمایی از ساده ترین واحد فرایند جداسازی جزء به جزء با کف [59] 43

شکل2-6. جداسازی جزء یه جزء با کف در حالت ساده، الف) نیمه پیوسته، ب) پیوسته [55] 44

شکل2-7. حالت­های مختلف جریان پیوسته، الف) حالت عریان سازی، ب) حالت غنی سازی، پ) حالت ترکیبی [55] 44

شکل2-8. نمایی از حضور سورفکتانت­ها در توده مایع و سطح مشترک گاز- مایع [60]. 49

شکل2-9. نمودار فرضی کشش سطحی بر حسب غلظت سورفکتانت در محلول [55] 50

شکل2-10. نمایی از دولایه الکتریکی در اطراف حباب گاز در یک محلول آبی حاوی سورفکتانت یونی [60] 54

شکل2-11. ساختار سه بعدی کف [69] 56

شکل2-12. تصویر Cyro-SEM از Plateau borders [71] 56

شکل2-13. الف) ساختار کف خشک به دست آمده از آزمایش، ب) ساختار کف خشک حاصل از شبیه سازی کامپیوتری، پ) ساختار کف خیس به دست آمده از آزمایشات، ت) ساختار کف خیس به دست آمده از شبیه سازی کامپیوتری [70]. 57

شکل2-14. بالا کشیده شدن مایع از درون کف با گذشت زمان [60] 58

شکل3-1. شکل شماتیک سامانه کاربردی در فرایند جداسازی جزء به جزء با کف… 66

شکل3-2. تصویر سامانه کاربردی در فرایند جداسازی جزء به جزء با کف، 1) کمپرسور هوا، 2) روتامتر، 3) اسپارگر، 4) محل­های نمونه برداری یا ورود خوراک، 5) ستون کف، 6) ظرف جمع آوری کف… 67

شکل3-3. ساختار SDS. 68

شکل3-4. ساختار شیمیایی KEN10، n=10. 69

شکل3-5. ساختار شیمیایی SFD.. 70

شکل3-6. شماتیک فرایند استخراج به عنوان مرحله پیش تصفیه اسید فسفریک… 72

شکل3-7. تصویر سامانه در حین انجام فرایند. 73

شکل4-1. نمودار کشش سطحی محلول خوراک بر حسب غلظت سورفکتانت KEN10. 79

شکل4-2. نمودار کشش سطحی محلول خوراک بر حسب غلظت سورفکتانت SDS. 79

شکل4-3. نمودار کشش سطحی محلول خوراک بر حسب غلظت سورفکتانت SFD.. 80

شکل4-4. تأثیر سرعت هوا روی مقدار جزء مایع در کف برای سورفکتانت KEN10. 81

شکل4-5. تأثیر سرعت هوا روی درصد حذف فلزات برای سورفکتانت KEN10. 81

شکل4-6. تأثیر سرعت هوا روی نسبت غنی سازی برای سورفکتانت KEN10. 82

از دست رفته برای سورفکتانت KEN10. 82

شکل4-8. تأثیر سرعت هوا روی مقدار جزء مایع در کف برای سورفکتانت SDS. 83

شکل4-9. تأثیر سرعت هوا روی درصد حذف فلزات برای سورفکتانت SDS. 83

شکل4-10. تأثیر سرعت هوا روی نسبت غنی سازی برای سورفکتانت SDS. 84

از دست رفته برای سورفکتانت SDS. 84

شکل4-12. تأثیر سرعت هوا روی مقدار جزء مایع در کف برای سورفکتانت SFD.. 85

شکل4-13. تأثیر سرعت هوا روی درصد حذف فلزات برای سورفکتانت SFD.. 85

شکل4-14. تأثیر سرعت هوا روی نسبت غنی سازی برای سورفکتانت SFD.. 86

از دست رفته برای سورفکتانت SFD.. 86

شکل4-16. تأثیر غلظت سورفکتانت KEN10 بر روی درصد حذف فلزات، درصد اسید فسفریک از دست رفته و نسبت غنی سازی.. 88

شکل4-17. تأثیر غلظت سورفکتانت SDS بر روی درصد حذف فلزات، درصد اسید فسفریک از دست رفته و نسبت غنی سازی.. 89

شکل4-18. تأثیر غلظت سورفکتانت SFD بر روی درصد حذف فلزات، درصد اسید فسفریک از دست رفته و نسبت غنی سازی.. 89

شکل4-19. تأثیر زمان بر روی حذف فلزات برای سورفکتانت KEN10. 91

شکل4-20. تأثیر زمان بر روی حذف فلزات برای سورفکتانت SDS. 91

شکل4-21. تأثیر زمان بر روی حذف فلزات برای سورفکتانت SFD.. 92

شکل4-22. تغییرات درصد حذف فلزات با تغییر غلظت سورفکتانت KEN10. 93

شکل4-23. تغییرات درصد حذف فلزات با تغییر غلظت سورفکتانت SDS. 93

شکل4-24. تغییرات درصد حذف فلزات با تغییر غلظت سورفکتانت SDS. 94

شکل4-25. مقایسه عملکرد سه سورفکتانت در سرعت هوای ورودی و غلظت بهینه هر کدام. 95

شکل4-26. تصویر سامانه در حین انجام فرایند. 98

شکل4-27. تصویر بزرگ­نمایی شده کف حاصل در سامانه. 99

شکل4-28. تغییرات سطح ویژه کف با تغییر غلظت سورفکتانت KEN10. 101

شکل4-29. تغییرات سطح ویژه کف با تغییر غلظت سورفکتانت SDS. 101

شکل4-30. تغییرات سطح ویژه کف با تغییر غلظت سورفکتانت SFD.. 102

جدول1-1. خصوصیات فیزیکی اسیدفسفریک [3] 2

جدول1-2. خصوصیات فیزیکی خلوص­های مختلف اسیدفسفریک [7] 4

جدول1-3. آنالیز اسید فسفریک تهیه شده به روش تر برخی از سنگ‌های معدن در قسمت‌های مختلف جهان [2]. 13

جدول1-4. تأثیر حضور ناخالصی­ها بر روی فرایند [12] 15

جدول3-1. خواص فیزیکی اسید فسفریک تر. 68

جدول3-2. خواص فیزیکی SDS. 69

جدول3-3. خواص فیزیکی KEN10. 69

جدول3-4. خواص فیزیکی SFD.. 70

جدول4-1. مشخصات اسیدفسفریک پس از فرایندهای جذب سطحی و استخراج.. 78

جدول4-2. نتایج آزمایشات دو مرحله­ ای برای سورفکتانت­های SDS و SFD.. 96

جدول4-3. مقادیر میانگین شعاع معادل و سطح ویژه برای سورفکتانت KEN10. 99

جدول4-4. مقادیر میانگین شعاع معادل و سطح ویژه برای سورفکتانت SDS. 100

جدول4-5. مقادیر میانگین شعاع معادل و سطح ویژه برای سورفکتانت SFD.. 100

جدول5-1. مقایسه نتایج کارهای انجام شده پیشین با این پروژه 107

 

چکیده

اسید فسفریک 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 می­ شود. 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 می­ شود. این روش­ها با معایبی از قبیل سختی انجام فرایند، هزینه بالای تأمین و نگهداری تجهیزات، هزینه بالای رزین­ و نیاز به احیای آن روبه رو هستند. همچنین فرایندهای 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 فرایند محسوب می­ شود.

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 فرایند، هزینه کم عملیاتی و مصرف انرژی پایین را دارد. همچنین به علت عدم استفاده از حلال­های شیمیایی، فرایندی سبز به شمار می­رود.

قابلیت این فرایند در حذف ناخالصی­های اسید فسفریک، تأثیر سرعت هوای ورودی، زمان، غلظت و انتخاب پذیری سورفکتانت­ها نسبت به هر فلز با بهره گرفتن 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].