تری پلی فسفات سدیم یا STPP ماده شیمیایی با فرمول Na₅P₃O₁₀ شناخته میشود. این ترکیب به دلیل خواص چند منظورهاش، جزء اصلی در تولید مواد شیمیایی به کار میرود. برای تولید STPP، نیاز به مواد اولیه صنعتی از جمله فسفر، سودا، و آب مقطر داریم. این مواد اولیه با استفاده از فرآیند های پیشرفته در صنعت پتروشیمی به ترکیبات نهایی تبدیل میشوند. در ادامه به روشی نوین از تولید STPP توسط فرایند مرطوب سازی اسید فسفریک میپردازیم و آن را با روش تولید کوره ای تری پلی فسفات سدیم مقایسه میکنیم.
مراحل کلی تولید تری پلی فسفات سدیم
STPP معمولاً توسط فرآیندی ساخته میشود که شامل مراحل:
۱. واکنش یک ترکیب سدیم مانند خاکستر سودا (Na2CO3) یا کاستیک (NaOH) با فرایند مرطوب سازی اسید فسفریک یا اسید فسفریک در کوره برای تشکیل مخلوط واکنشی حاوی مونوسدیم فسفات (NaH2PO4) و دی سدیم فسفات (Na4HPO4) باشد.
۲. رسوب و پس از آن حذف ناخالصی های نامحلول از مخلوط واکنش.
۳. حرارت دادن مخلوط واکنش در دما های بالا برای زمان کافی تا تجزیه حرارتی یا کلسینه شدن دو ترکیب فسفات ذکر شده در بالا به STPP (Na5P3O10) و خارج کردن همزمان آب از مخلوط واکنش توسط تبخیر. لازم به ذکر است که چنین فرآیندهایی ناخالصی های موجود در خوراک STPP را کاملاً با بارش حذف می کنند.
مقایسه فرایند تولید کوه ای و مرطوب سازی
کاهش ناخالصی ها در تولید STPP
STPP ساخته شده از فرآیند مرطوب سازی اسید فسفریک عموماً هزینه کمتری نسبت به STPP ساخته شده از اسید فسفریک در کوره دارد زیرا نوع دوم به مقادیر زیادی انرژی حرارتی در تولید خود نیاز خواهد داشت. اما STPP ساخته شده از مرطوب سازی حاوی مقادیر بیشتری از ناخالصی ها، به ویژه سیلیکون و منیزیم است که ممکن است در استفاده از این نوع STPP در کاربرد های خاص جلوگیری کند. به طور خاص، مشخص شده است که وجود ناخالصی های سیلیکونی، و به میزان کمتر، ناخالصی های منیزیم، اغلب ممکن است باعث کدرشدن محلول های آبی حاوی STPP شود. بنابراین، صنایعی مانند صنایع غذایی که محلولهای آبی شفاف STPP را ترجیح میدهند، ممکن است مجبور شوند از STPP گرانتر ساخته شده از اسید در فرآیند کوره استفاده کنند.
کاربرد تری پلی فسفات در صنایع غذایی
با توجه به کاربرد های غذایی تری پلی فسفات سدیم، نیاز به فرآیند بهتری برای ساخت STPP از مرطوب سازی اسید وجود دارد که بتواند میزان ناخالصی های سیلیکون و منیزیم را در محصول کاهش دهد. همانطور که قبلا گفته شد، ناخالصی های نامحلول در خوراک STPP تنها با تکنیک های بارش حذف شدند. این روشهای خالص سازی کاملاً رسوبی، زمانی کارآمد نیستند که سطوح سیلیکون و منیزیم هر کدام از کمتر از 100 تا حدود 800 قسمت در میلیون (ppm) وزن مواد اولیه باشند. در چنین سطوحی، وجود آنها همچنان میتواند باعث کدر شدن نامطلوب شود، اما حذف آنها بدون از دست دادن مقادیر ارزشمندی از ترکیبات فسفاته به آسانی با بارش امکانپذیر نیست. بنابراین، یک فرآیند بهبود یافته برای ساخت STPP از مرطوب سازی اسید باید ناخالصی های سیلیکون و منیزیم را با روشی غیر از رسوب کاملاً حذف کند. روند تولید در این روش به چنین سمتی هدایت می شود.
خلاصه روش تولید تری پلی فسفات سدیم از مرطوب سازی اسید
۱) واکنش اسید فسفریک فرآیند مرطوب با یک ترکیب سدیم و تشکیل یک مخلوط واکنش شامل محلول آبی Na2HPO4 و NaH2PO4 با سیلیکون و ناخالصی های منیزیم موجود در آن.
۲) افزودن یک ترکیب فلوراید مانند NaF به مخلوط واکنش. مقدار ترکیب فلوراید اضافه شده کافی است به طوری که نسبت مولی F: (Si+Mg) در مخلوط واکنش حداقل حدود 5:1 باشد.
۳) رسوب بخش عمده ای از منیزیم در مخلوط واکنش مذکور.
۴) جداسازی منیزیم رسوب شده از مخلوط واکنش، در نتیجه تشکیل محلول آبی شفاف.
۵) حرارت دادن محلول شفاف شده در دمایی در محدوده حدود 400 درجه سانتیگراد تا حدود 700 درجه سانتیگراد برای مدت زمان کافی که موجب دو فرایند زیر میشود:
الف) تبخیر بخش عمده ای از مجموع ترکیبی فلوراید و سیلیکون در محلول شفاف شده و بدست آمدن محلول
(ب) تولید محصول جامد تری پلی فسفات سدیم
۶) بازیابی محصول جامد تری پلی فسفات سدیم.
واکنش تولید تری پلی فسفات سدیم جامد
این روش تولید با واکنش اسید فسفریک فرآیند مرطوب سازی با یک ترکیب سدیم مانند کربنات سدیم یا هیدروکسید سدیم و تشکیل یک مخلوط واکنش متشکل از محلول آبی مونو سدیم فسفات (NaH2PO4) و فسفات دی سدیم (Na2HPO4) آغاز میشود. واکنشهای معمولی درگیر در این مرحله با معادلات واکنش (A) و (B) زیر نشان داده شدهاند که در آن Na2CO3 به عنوان منبع سدیم استفاده میشود:
2H.sub.3 PO.sub.4 + Na.sub.2 CO.sub.3 → 2NaH.sub.2 PO.sub.4 + CO.sub.2 + H.sub.2 O (A)
2NaH.sub.2 PO.sub.4 + Na.sub.2 CO.sub.3 → 2Na.sub.2 HPO.sub.4 + CO.sub.2 + H.sub.2O
(B)
مرحله اول این فرآیند به هیچ پارامتر واکنش خاصی محدود نمی شود. به جز استفاده از اسید فسفریک در فرآیند مرطوب سازی و منبع سدیم مانند Na2CO3 یا NaOH به عنوان واکنش دهنده های اولیه. هر محلول آبی معمولی اسید فسفریک فرآیند مرطوب ممکن است به عنوان یک واکنش دهنده برای این روش تولید استفاده شود. به طور خلاصه، مرطوب سازی اسید فسفریک معمولاً با هضم سنگ فسفات طبیعی با اسید سولفوریک در محلول آبی ساخته می شود. گچ (CaSO4.2H2O) به عنوان یک محصول جانبی تولید می شود و از اسید فسفریک فیلتر می شود. همانطور که در بالا گفته شد، مرطوب سازی اسید حاوی مقادیر مختلفی ناخالصی است. محدوده معمول سیلیکون، منیزیم و فلوراید موجود در اکثر محلول های اسیدی فرآیند مرطوب سازی در جدول زیر فهرست شده است.