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磷酸一鉀又名磷酸二氫鉀、一代磷酸鉀、S?rensen’spotassiumphosphate。無色斜方或四方晶系晶體。相對分子質量136.09。相對密度2.338。熔點252.6℃。折射率1.5095(20℃)。在干燥空氣中穩定,可潮解。加熱至200℃時開始脫水,在240~260℃轉變成偏磷酸鉀(KPO3)n。熔融時呈透明玻璃狀。不溶于乙醇,溶于水(0℃時14.8、10℃時18.3、20℃時22.6、25℃時25.1、30℃時28.0、40℃時33.5、60℃時50.1、80℃時70.4、90℃時83.5)。濃度為1%的水溶液pH=4.6。
磷酸二氫鉀在工業、農業、醫藥、食品行業均有廣泛的應用。在工業上,常用于細菌培養劑,制作酵母培養劑。在農業上,磷酸二氫鉀是一種高濃度的高效磷鉀復合肥,因其具有營養成分高(P、K有效成分>90%),化學性質穩定,無嗅,無味,無毒,易溶于水,不結塊,因而適用于各種土壤和作物。在食品添加劑中磷酸二氫鉀是食品磷酸鹽重要品種之一,用作品質改良劑、發酵促進劑、調味劑、緩沖劑以及與磷酸氫二鉀并用作膨松劑。在飼料添加劑中用作補充磷與鉀的礦物質元素添加劑,特別是在魚飼料中普遍應用。
1. 農業
磷酸二氫鉀是一種高濃度的磷鉀復合肥、優質無氯鉀肥,既提供磷也提供鉀,適用于各種土壤和作物。它具有營養成分高,w(P2O5)為52%,w(K2O)為34%,養分H2PO4和K+可全部被農作物吸收,不含雜質和殘渣。磷酸二氫鉀的鹽值極低,是理想的葉施肥料。加之它施用量少,能廣泛用于浸種、浸根、藥物拌種、澆灌和葉面噴施,對農作物加速灌漿、促進代謝、抵御干熱風及防止倒伏等方面均有顯著效果。用作農作物底肥及農作物中后期葉面噴肥,廣泛施用于各種糧食、經濟作物及瓜果、蔬菜等(如:水稻、小麥、玉米、甘蔗、大豆、棉花、亞麻、水果、蔬菜和煙草等各種作物),尤其適用于煙草、柑橘、茶葉等忌氯作物,是農業部指定推廣發展的優良化肥品種。近年來,不僅發現磷酸二氫鉀的顯著增產、抗旱、耐寒作用,而且還發現其對防治作物病蟲害也有特殊作用。因而近年來得到了迅速發展和廣泛應用。我國磷酸二氫鉀較廣泛用于瓜果、蔬菜、煙草等作物的噴灌,這類消費多集中在東北、新疆、內蒙古等地。據估計,我國在農業方面磷酸二氫鉀的用量約為5萬~6萬t/a。預計,今后5年農用磷酸二氫鉀的用量將達到8萬t/a。
2. 化學工業
在化學工業中,磷酸二氫鉀有廣泛的應用。可用于制造偏磷酸鉀和其它鉀鹽的原料;釀造酵母的培養劑、強化劑、膨松劑和發酵助劑等。發酵工業中,用作細菌培養劑、緩沖調節劑和營養劑,主要用于味精、酒、酒精、檸檬酸、酶制劑、酵母、淀粉和糖等的生產。工業級的磷酸二氫鉀主要用于以上各方面的生產。我國磷酸二氫鉀在化學工業中的用量約為3萬~4萬t/a。預計,今后5年化學工業磷酸二氫鉀的用量將達到5萬t/a。
3. 醫藥工業
在醫藥上,磷酸二氫鉀用作細菌培養劑;用于使尿酸化,作營養劑;還用于青霉素、土霉素、雞苷等的生產。河北華潤藥業有限公司在現有醫藥級磷酸二氫鉀500t/a的基礎上招標擬擴產至10000t/a。河北省作為醫藥生產基地,對該產品的需求量潛力很大。據初步測算,僅河北省內醫藥行業磷酸二氫鉀的年消費量就達8000t。內蒙古托克托華奧化工有限公司的1.5萬t/a磷酸二氫鉀項目就是配合石藥集團生產而建設的。全國醫藥行業磷酸二氫鉀的年消費量約為1.2萬t。預計,今后5年醫藥行業磷酸二氫鉀的用量將達到2萬t/a。
4. 食品工業
在食品工業中,磷酸二氫鉀用于烘焙食品的添加劑和營養調味添加劑,主要用于制造烘焙物、味精、發酵粉等。該領域一般使用食品級的磷酸二氫鉀。全國在食品領域消費磷酸二氫鉀約為1.5萬t/a。預計,今后5年食品工業磷酸二氫鉀的用量也將有所增加。
5. 飼料工業
在飼料工業中,磷酸二氫鉀主要用作補充磷與鉀的礦物質元素添加劑,特別是在魚飼料中普遍應用。隨著近年來魚飼養業的迅速發展,作為魚飼料添加劑的用量較快上升,磷酸二氫鉀在該領域的用量也將有所增加。
目前,國內外磷酸二氫鉀的生產方法很多,主要有中和法、萃取法、復分解法、離子交換法、直接法、電解法、結晶法和P.K.F.法等。
1)中和法。中和法是根據酸堿中和原理利用高濃度的熱法磷酸與氫氧化鉀或碳酸鉀進行中和反應生成磷酸二氫鉀。工藝流程:將氫氧化鉀或碳酸鉀配成質量分數約為30%的溶液,在不斷攪拌下逐漸加入質量分數約為50%的熱法磷酸,控制反應溫度為80~100℃、反應液pH為4~5,反應完畢后經過濾、加熱濃縮、冷卻結晶、離心分離、干燥得到磷酸二氫鉀,結晶母液返回濃縮工序回用。反應原理:
優點:工藝流程短,技術成熟,操作簡單,產品質量好,能耗少。缺點:生產成本高,推廣應用受到很大限制。
2)萃取法。萃取法是根據某種物質在不同溶劑中具有不同的溶解度,在相際傳遞過程中能夠選擇性地使用某種溶劑萃取分離制備磷酸二氫鉀的一種方法。該方法分為無機萃取法和有機萃取法。無機萃取法由于技術不夠成熟,制得的磷酸二氫鉀純度不高,因此難以推廣應用。有機萃取法相對比較成熟,是工業化生產中制備精制磷酸二氫鉀常用的方法之一,產品磷酸二氫鉀質量分數高達99%以上。有機溶劑萃取法是以H3PO4、KCl為原料,利用有機萃取劑的選擇性對H3PO4或HCl進行萃取。反應原理:
優點:能耗低,得到的磷酸二氫鉀產品質量較好。缺點:磷的回收率低,而且有機溶劑價格昂貴、回收困難,對環境有一定的污染,不環保。
3)復分解法。復分解法是利用KCl中的K+與正磷酸鹽MH2PO4(M可以是Na+或NH4+)中的H2PO4-通過復分解反應制得KH2PO4。反應原理:
產物KH2PO4可以根據MCl-KH2PO4-H2O系統相圖分離出來。所用原料不同,工藝條件也有差異。優點:生產設備與操作方法簡單,生產成本較低,環保無污染。缺點:產品質量較差,只可農用。
4)離子交換法。離子交換法通常是利用氯化鉀溶液通過苯乙烯系陽離子(或陰離子)交換樹脂從溶液中吸附相應的陰陽離子,然后再將磷酸二氫銨溶液通過樹脂進行置換,使得K+和H2PO4-轉移至同一側結合,從而得到磷酸二氫鉀溶液。再將磷酸二氫鉀溶液先后經過加熱濃縮、冷卻結晶、離心分離、干燥得到成品磷酸二氫鉀,結晶母液返回濃縮工序回用。反應原理:
優點:原料廉價,與中和法相比成本降低1/3。缺點:水蒸發量大,能耗高,且樹脂價格昂貴,一次性投資較大。
5)直接法。國內外普遍認為直接法是非常經濟的一種生產磷酸二氫鉀的方法,是因為該法可以直接地充分利用磷礦中的磷轉化為磷酸和磷酸二氫鉀。以色列、美國、日本及法國等國相繼對此法展開了研究并有所發展。與其他方法相比,該法原料廉價很多,而且方法直接簡單。該法是以磷礦、硫酸、氯化鉀為原料,先利用氯化鉀和硫酸制取硫酸氫鉀,再利用過量的硫酸和硫酸氫鉀與磷礦粉在某一條件下反應得到磷酸與磷酸二氫鉀的混合物,最后經加熱濃縮再用甲醇沉淀分離磷酸,得到粗產品磷酸二氫鉀。
6)電解法。電解法通常是利用氯化鉀(或硫酸鉀)和磷酸為原料,在電解槽中通過電解和復分解兩步反應,H2PO4-或K+選擇性透過離子交換膜得KH2PO4。第一步發生電解,陰極和陽極分別產生高純度的氫氣和氯氣;第二步發生復分解反應,K+和H2PO4-結合得到KH2PO4。反應原理:
優點:工藝流程短且簡單,對設備腐蝕弱,得到的磷酸二氫鉀產物純度很高。缺點:對環境有輕微的污染,很多技術難題需克服,目前只適宜小規模生產。
7)結晶法。結晶法是利用不同溫度下KH2PO4在H3PO4-KH2PO4-KCl-H2O系統中溶解度的不同來得到磷酸二氫鉀晶體,通常是利用KCl與熱法磷酸直接反應制得。反應原理:
在反應過程中不斷抽走氯化氫氣體,化學反應平衡向右移動,使得化學反應不斷向右進行。優點:生產成本優于中和法,生產成本較低。缺點:對設備具有較強的腐蝕性,一次性投資較大,對環境有一定的污染,且得到的產品質量較差。
8)P.K.F法。P.K.F法是以磷礦、鉀鹽、氟硅酸為原料,利用磷礦中主要金屬雜質(如Ca、Al、Fe、Mg等)的氟化物一般都難溶于水,從而進行磷酸二氫鉀的制備與分離,在生產磷酸二氫鉀的同時又實現了主要金屬雜質的一次性排除。反應原理:
[1] 實用精細化工辭典
[2] 我國磷酸二氫鉀現狀及前景展望
[3] 磷酸二氫鉀生產方法現狀及發展前景