Результат интеллектуальной деятельности: Электрохимический способ получения фосфорной кислоты

Изобретение относится к области технологии неорганических веществ, в частности к утилизации загрязненного шламом белого фосфора, получения фосфорной кислоты.

Различные модификации фосфора резко различаются по своему строению и физико-химическим свойствам, например: белый, красный, черный (расположены в порядке уменьшения активности).

В отличие от других аллотропных модификаций, белый фосфор химически активный, самовоспламеняется на воздухе или в атмосфере кислорода, при этом взаимодействует с кислородом и образует пятиокись фосфора.

Пятиокись фосфора - гигроскопическое вещество, взаимодействует с водой и образуется ортофосфорная кислота.

В промышленных предприятиях, чтобы защитить белый фосфор от окисления, его хранят под водой. Загрязненный шламом белый фосфор также сохраняют под водой, но он взаимодействует с растворенным в воде кислородом и образует фосфорную кислоту по схеме:

4Р+5O₂→2P₂O₅

P₂O₅+3H₂O→2H₃PO₄

Белый фосфор относится к сильнодействующим ядовитым веществам, наиболее трудно поддающимися складированию, хранению и утилизации. Опасность скопления и хранения его заключается в большой вероятности вследствие аварийных ситуаций, самопроизвольного воспламенения и обширного загрязнения окружающей среды.

Наиболее близким способом того же назначения по совокупности признаков является способ переработки загрязненного шламом фосфора и получение фосфорной кислоты (Е.А. Назаров, С.А. Назаров. Авторское свидетельство СССР №1518297, кл. С01В 25/20, 1989). Изобретение включает плавление и нагревание расплавленного фосфорсодержащего шлама и его сжигание с последующей гидратацией.

Недостатком указанного способа является многоступенчатость проведения процесса, включающая обезвреживание загрязненного щламом фосфора в закрытом аппарате, его сжигание и очистку фосфорной кислоты в электрофильтрах.

Известен способ очистки белого фосфора от примесей путем введения в реакционную емкость воды, водной суспензии активированного угля и жидкого белого фосфора, декантации смеси с получением водной фазы и фосфорсодержащей фазы. Полученную фосфорсодержащую фазу разделяют в зоне сепарации на очищенный фосфор и истощенный активированный уголь. Очищенный белый фосфор переводят в водную суспензию и направляют в зону обжига.

Недостатком указанного способа являются большие энергетические затраты, связанные со сложностью используемого оборудования и сжиганием истощенного активированного угля до диоксида углерода.

Известны способы получения фосфорной кислоты путем сжигания фосфора в камере сжигания и гидратации фосфорного ангидрида водой в башнях (М.Е. Позин. Технология минеральных солей. Ч. II. М., Химия, 1970, с. 1558).

Недостатками указанных способов являются сложность оборудования, выбросы непоглощенной окиси фосфора в атмосферу.

Известен также способ получения фосфорной кислоты под давлением RU 32443622 2012 г.

Недостатком указанного метода является энергозатраты на создание высокого давления.

Нами предлагается новое техническое решение проблемы утилизации загрязненного шламом белого фосфора, которое дает не только возможность утилизировать и обезвредить накопившийся на предприятии многотоннажный загрязненный химическими веществами и механическими загрязнителями белый фосфор, но и получить сырье - фосфорную кислоту, пригодное к промышленному потреблению, например как материал для получения фосфорсодержащих минеральных удобрений.

Результатом полученных нами экспериментальных данных является экологическая безопасность и экономическая целесообразность при утилизации загрязненного белого фосфора, накопившегося на территории промышленного предприятия в Республике Дагестан, также исключение возможности опасного самовоспламенения, бесконтрольного образования оксида фосфора и воздействия опасных продуктов химической реакции на окружающую среду, но и получение пригодного для промышленного использования продукта - фосфорной кислоты.

Возможность использования какой либо другой аллотропной модификации фосфора, кроме белого, нами не исследовалась.

Задача заявляемого изобретения - утилизация загрязненного шламом фосфора, экологическая чистота процесса, уменьшение энергозатрат, возможность полной автоматизации получения фосфорной кислоты.

Технический результат - утилизация загрязненного шламом белого фосфора, получение чистой фосфорной кислоты в одном аппарате и предотвращение потерь P₂O₅ с выбросами в атмосферу.

В изобретении впервые предлагается способ окисления загрязненного шламом белого фосфора кислородом, получаемым электролизом воды, и поглощение получаемого оксида фосфора водой с образованием фосфорной кислоты.

Способ получения фосфорной кислоты из загрязненного шламом фосфора отличается тем, что процесс проводят в электролизере, где кислородом, полученным электролизом воды на сетчатом аноде, окисляют загрязненный шламом белый фосфор до образования пятиокиси фосфора с последующей гидратацией до образования фосфорной кислоты, при этом на электроды подают постоянный электрический ток при напряжении 10 В, плотность тока составляет 0,10 А/см², а время обработки зависит от количества шламсодержащего белого фосфора.

Электрохимическое разложение воды в электролизере происходит по схеме:

На аноде: 2H₂O-4е^-→O₂+4H⁺

На катоде: 4Н⁺-4е^-→2Н₂

Белый фосфор легко окисляется выделившимся на аноде кислородом.

Окисление и очистка загрязненного шламом фосфора производится в одном аппарате; достигается полное окисление фосфора и получение чистой фосфорной кислоты, шлам остается в камере.

Данный способ включает получение кислорода электролизом воды на сетчатом аноде, на который загружен загрязненный шламом белый фосфор. Полученный кислород электролизом воды окисляет белый фосфор с образованием пятиокиси фосфора с последующей гидратацией до образования фосфорной кислоты.

Процесс осуществляют в двухкамерном электролизере. Анодная и катодная камеры разделены диафрагмой из асбестовой ткани. На дне анодной камеры горизонтально расположен анод в виде сетки, на который загружается белый фосфор, загрязненный шламом.

Электродный материал анод - сетка из платины, катод - титановая пластинка. На электроды подается постоянный электрический ток: напряжение составляет 10 В, плотность тока 0,10 А/см², длительность электрохимической обработки зависит от количества шламсодержащего белого азота. В образцах отходов химической промышленности – загрязненном шламом белом фосфоре – могут, кроме химических, также присутствовать различные механические загрязнители: песок, щебень, частицы грязи и кирпичей, остатки растительных и животных организмов, коллоидные органические вещества и т.д. В различных образцах загрязненного фосфора могут быть различные соотношения белого фосфора и загрязняющих примесей. Чем больше в образце количество белого фосфора по отношению к количеству загрязнителей, тем дольше время обработки. Выделяемый при электролизе воды на аноде кислород окисляет белый фосфор и образуется Р₂О₅, который поглощается водой с образованием фосфорной кислоты, а шлам накапливается в анодной камере.

Примеры осуществления способа:

Пример 1. В анодную камеру вводится загрязненный шламом белый фосфор в количестве 5,0 г. При электролизе воды на аноде выделяется кислород, который окисляет фосфор и образуется пятиокись фосфора, поглощаемый водой с образованием фосфорной кислоты. Освободившийся от белого фосфора шлам остается в анодной камере внутри электролизера. Концентрация образующейся фосфорной кислоты составляет 0,4 моль/л. Количество шлама и потери фосфорной кислоты 0,23 г.

Пример 2. Процесс проводится по примеру 1 с тем отличием, что масса загрязненного шламом белого фосфора составляет 10 г. Концентрация образующейся фосфорной кислоты составляет 0,6 моль/л. Количество шлама и потери фосфорной кислоты составляют 1,16 г.

Таким образом, чистота получаемой фосфорной кислоты составляет 97%, потерь пятиокиси фосфора нет, выбросов в окружающую среду также нет.

Проведение процесса по предлагаемому способу в одном аппарате позволяет осуществить утилизацию белого фосфора, загрязненного шламом, без потерь и образования промежуточных фосфорсодержащих соединений, предотвратить выбросы в атмосферу ядовитых соединений, получить фосфорную кислоту.