فسفر و مواد معدنی فسفردار  (2)

 

مترجم: حبیب الله علیخانی

 

معیار استفاده

فسفر عنصری

فسفر قرمز: فسفر قرمز پایداری نسبتاً بالاتری دارد و از این رو، فعالیت کمتری دارد. این ماده در دمای 280 درجه ی سانتیگراد، به جوش می آید و همچنین در همین دما، آتش می گیرد.
فسفر زرد: این ماده یک ماده ی واکسی مانند نرم است. خواص مهم این ماده، موجب شده است تا این ماده کاربردهای زیر را پیدا کرده است:
واکنش پذیری بالا: فسفر زرد پایداری بالایی دارد و همچنین واکنش پذیری بالایی دارد. این ماده موجب تشکیل برخی ترکیبات معدنی و آلی می شود. این ماده واکنش پذیری بالایی با اکسیژن دارد و در زمان برخورد با هوا، درخشش خفیفی دارد. در زمان حرارت دادن، این ماده به سرعت آتش می گیرد. این واکنش در دمای 40 درجه ی سانتیگراد، رخ می دهد و حتی می تواند در دمایی در حدود 45 درجه، ذوب شود. به دلیل آتش گیر بودن، این ماده زیر آب نگهداری می شود.
درخشش ناگهانی و آتش گرفتن این ماده موجب شده است تا پدیده ی فسفرسانس نامگذاری شود. تمام نور در این حالت، از اتم ها نشئت می گیرد. این انرژی وقتی ایجاد می شود که اتم ها انرژی دریافت کنند و با جذب نور از منابع دیگر و یا بواسطه ی حرارت دادن، تهییج پیدا کنند. به عبارت دیگر، این مواد قابلیت تهییج یافتن و بازگشت از حالت تهییج را دارا می باشند. بسیاری از مواد به سهولت انرژی دریافت می کنند و بدون حرارت دیدن، از خود نور ساتع می کنند. این فرایند لومینسانس نامیده می شود. اتم های برخی مواد لومینسانس، برای زمان اندکی بعد از گرفتن شدن منبع انرژی از آنها، نور از خود ساتع می کنند. این مواد، فسفرسانس، نامیده می شوند. آنهایی که در طی برخورد انرژی تهییج کننده به خود، نور ساتع می کنند، فلئورسانس نامیده می شوند. برخی افراد قابلیت درخشش فسفر زرد در تاریکی و تحت حرارت دهی اندک را شیمی- لومینسانس (chemo-luminescence) می نامند.
حلالیت: این ماده در آب نامحلول است اما در CS_2 محلول می باشند.
سمیت: فسفر زرد بسیار سمی است. به محض بلعیده شدن این ماده، بیماری شدید کبد ایجاد می شود که به نام سندرم smoking stool نامیده می شود. در معرض تماس بودن با فسفر زرد به مدت طولانی، منجر به بروز نکروز فک می شود که phossy jaw نامیده می شود. تماس این ماده با پوست موجب بروز سوختگی های شدید می شود. این مسئله دلیل این موضوع است که چرا همیشه گفته می شود که فسفر زرد را با انبر جابجا کنید. بسیاری از ترکیبات آلی این ماده نیز سمی است. در عوض، بیشتر ترکیبات معدنی این ماده، غیر سمی هستند.
ارزش غذایی: این ماده به شکل فسفات های غیر آلی و سه ظرفیتی، دارای ارزش غذایی و تغذیه ی بالایی برای موجودات زنده دارند. زیرا این ماده جزء اجزای تشکیل دهنده ی DNA و RNA هستند. در واقع این مواد موجب اتصال بخش های ژنتیکی به مولکول ها می شوند و موجب می شود تا زنجیره های طویلی از مولکول ها، تشکیل شود. ترکیب آدنوزین تری فسفات (ATP) یک سوخت اساسی است که موجب می شود انرژی برای حرکت سلول ها، فراهم آید. از این رو، این ماده برای متابولیسم، ضروری می باشد. فسفر بخشی از استخوان مهره ها و همچنین بخشی از لیپیدهای فسفری است که تشکیل دیواره ی سلولی می شوند. علاوه بر این، نقش مهم توسعه ی ریشه ها و سنتز پروتئین، چربی ها و کربوهیدرات ها، بوسیله ی فسفر نیز قابل اغماض نمی باشد.
قابلیت آلیاژسازی و اختلاط: فسفر یکی از مواد غیر فلزی است که دارای قابلیت آلیاژسازی و تشکیل آلیاژ با برخی فلزات را دارا می باشد.

مواد معدنی حاوی فسفر

خواص نوری و اشکال مختلف: مینرال آپاتیت دارای رنگ های مختلف و اشکال کریستالی مختلف است. انواع مختلف این ماده و رنگ های مختلف آن عبارتند از:
سنگ مارچوبه (Asparagus stone): بدون رنگ، سبز، آبی، زرد و قرمز روشن
موروکسیت (Moroxite): آبی مایل به سبز تا آبی
لیژرآپاتیت: آبی آسمانی
مانگان آپاتیت: سبز مایل به آبی تیره
با توجه به شکل کریستالی، این ماده یک ماده ی هرمی هگزاگونال است که کریستال های آن می توانند به صورت هرم های طولانی یا کوتاه و یا مدور باشند. ضریب شکست این ماده از 1.63 تا 1.648 متغیر می باشد.
سختی: آپاتیت یک ماده ی با سختی متوسط است که دارای سختی 5 در مقیاس موهس می باشد.
ویژگی های شیمیایی: میزان فسفر و همچنین کلسیم موجود در این سنگ ها، به عنوان یک مورد کلیدی در زمینه ی استفاده از آنها می باشد. بنابراین، درصد فسفات استخوانی مربوط به فسفات کلسیم معیار استفاده از این ماده می باشد. در واقع کریستال های فسفات کلسیم، در آب محلول هستند و از این رو، به سادگی در اسیدها نیز حل می شوند و از این رو، با شکسته شدن آنها، فسفر آزاد می شود.

استفاده ها و ویژگی ها

استفاده های اساسی از سنگ های فسفاتی به صورت زیر می باشد:
تولید اسید فسفریک
تولید فسفر عنصری
تولید کودهای شیمیایی
سوپرفسفات معمولی (SSP)
سوپرفسفات سه گانه (TSP)
مونو آمونیوم فسفات (MAP)
دی آمونیوم فسفات (DAP)
آمونیوم فسفات سولفات (APS)
نیترو- فسفات (NP)
اوره آمونیوم فسفات (UAP)
کودهای NPK
کاربردهای مستقیم این ماده در خاک
تولید غذای ماکیان و دام
چینی استخوانی
سنگ های زینتی
آلیاژها
تولید اسید فسفریک

فرایند تولید:

فرایند تر: سنگ های فسفاتی یا آپاتیتی، ابتدا آسیاب شده و سپس با محلول اسید سولفوریک 33 % عمل آوری می شوند. ماده حاصله که مخلوطی از فسفریک اسید و گچ است، در آب محلول می باشد. این محلول حالت دوغاب دارد و بعد از فیلتراسیون، گچ از آن خارج می شود.
فرایند خشک: سنگ معدن فسفاتی ابتدا در دمای 1300 درجه ی سانیگراد، زینتر می شود و سپس فسفات زینتر شده، در یک کوره ی قوس الکتریکی به همراه کک و سیلس، ذوب می شود. فسفر عنصری در این حالت، تبخیر می شود و با مونوکسید کربن مخلوط شده و سپس جمع آوری می شود. در همین حال، کلسیم سیلیکات به صورت سرباره از این فرایند خارج می شود. این مخلوط سرد می شود به نحوی که عنصر فسفر میعان پیدا کرده و مونوکسید کربن موجود، خارج می شود. این فسفر سپس به پنتااکسید فسفر تبدیل می شود و با آب حل شده و اسید فسفریک تشکیل می دهد.
ویژگی ها: بر طبق استاندارهای اکثر کشورها، سنگ معدن مورد استفاده در فرایند تر، باید حاوی حداقل 32 % پنتااکسید فسفر، حداکثر 5 % سیلیس، حداکثر 4 % عنصر فلئور، حداکثر 3.5 % آلومینا و اکسید آهن، حداکثر 1.5 % رطوبت، حداکثر 0.5 % اکسید منیزیم، حداکثر 0.05 % کلر باشد و میزان آب ترکیبی و مواد آلی نیز باید حداکثر، برابر 1.5 % باشد.
فسفر یک جزء مهم در تولید اسید فسفریک است. بنابراین، باید پنتااکسید فسفر تولیدی مورد ارزیابی و آزمایش قرار گیرد. در واقع میزان این ماده ی فسفر دار، باید تا حد ممکنه بالا باشد. برخی اوقات، نسبت اکسید کلسیم به پنتااکسید فسفر به عنوان یک فاکتور مهم تلقی می شود. این فاکتور باید تا حد ممکنه کوچک باشد. صنایع ترجیح می دهند تا حداقل میزان پنتااکسید فسفر موجود، 32 % باشد.
سیلیس نیز باید تا حد ممکنه پایین باشد. زیرا این ماده هزینه های آسیاب کاری را بالا می برد و دانه های آن، آستر رآکتور را می ساید. علاوه بر این، سیلیس در مقابل اسید سولفوریک مقاوم است و در واقع بدون تغییر یافته در توده ی فسفاتی باقی می ماند. در واقع در این حالت، زمان عمل آوری بیشتر می شود. به هر حال، اگر فلئور در ماده ی اولیه، وجود داشته باشد، مقادیر اندکی سیلیس باید در مخلوط وجود داشته باشد. فلئور و مواد فلئور دار، یکی از مواد مضر این فرایند تلقی می شوند زیرا موجب آزاد شدن HF می شوند. این ماده به شدن خورنده است و به ادوات کارخانه، آسیب شدید می زند. اما اگر سیلیس و فلئور در ماده ی اولیه، وجود داشته باشند، HF آزاد شده، با سیلیس واکنش داده و فلئورو- سیلیسیک اسید تولید می کند
مواد مورد تأیید برای ساخت ادوات کارخانه های تولید اسید فسفریک، مواد هستند که در برابر خوردگی اسید فلئورو- سیلیسیک، مقاوم هستند. این ماده در تولید کریولیت مصنوعی نیز کاربرد دارد. این ماده به همراه خاک رس و بوکسیت عمل آوری می شود و در این حالت، سدیم سیلیسو فلئوریت یا آمونیوم- منیزیم- روی فلئورو سیلیکات، تولید می شود. صنایع ترجیح می دهند تا میزان سیلیس موجود در ماده ی اولیه، ماکزیمم 2.4 – 5 %، میزان فلئور، حداکثر 4 % و نسبت سیلیس به فلئور نیز 60 به 76 باشد. در واقع تولید فلئوروسیلیکات ها نیز به دلیل دخالت در فرایند خروج گچ، و اثرات نامطلوب بر روی خلوص ماده ی نهایی، نباید در مخلوط ایجاد شود. علاوه بر این، این ماده بر روی جداره ی رآکتورها نیز رسوب می کنند.
در مورد کربنات کلسیم، اگر چه خروج دی اکسید کربن به دلیل ایجاد واکنش میان اسید سولفوریک و این کربنات، رخ می دهد، این واکنش موجب می شود تا دانه های سنگ های فسفاته و یا تخلخل های آپاتیتی افزایش یافته و از این رو، فرایند تسهیل شود.
اکسید آهن و آلومینا نیز موجب مصرف شدن بخشی از فسفر پنتااکسید می شوند و موجب تشکیل فسفات های آلومینیوم یا آهن می شوند که مواد نامحلول در آب می باشند. بنابراین: 1) بخشی از فسفر پنتااکسید مصرف می شود و از این رو، مقدار کمتری اسید فسفریک تولید می شود. از این رو، میزان ضایعات بیشتر می شود. 2) فسفات های آهن و آلومینیوم مواد نامحلول هستند و به صورت باقیمانده در گچ می مانند و مشکلاتی را برای بستر فیلتراسیون ایجاد می کنند. در واقع این محصولات موجب ایجاد ناخالصی در گچ تولیدی می شوند. 3) این ماده با رسوب دهی به همراه گچ، موجب می شود تا در فرایند رشد کریستالی، اختلال ایجاد شود. صنایع ترجیح می دهند که میزان ماکزیمم R_2 O_3 موجود، 3 % باشد.
اکسید منیزیم نیز یک ماده ی مضر تلقی می شود. اولا این ماده با بخشی از اسید سولفوریک واکنش می دهد و بنابراین، میزان مصرف اسید سولفوریک را افزایش می دهد. دوماً آب به اسید سولفوریک افزوده می شود تا جریان یکنواختی از مواد اولیه، در داخل سیستم و مخصوصا بخش فیلتراسیون، ایجاد شود. وجود این ماده، موجب می شود تا رطوبت زیادتری مورد نیاز باشد. میزان ماکزیمم اکسید منیزیم در ماده ی اولیه، 0.05 % می باشد.
در مورد مواد آلی، علت مضر بودن این مواد، به سه دلیل می باشد: اولاً این مواد با بخشی از سولفوریک اسید واکنش می دهند و بنابراین، میزان مصرف اسید سولفوریک را بالا می برند. دوماً وقتی کربن با اسید سولفوریک واکنش دهد، دی اکسید کربن خارج می شود و موجب اختلال در فرایند فیلتراسیون می شود. سوماً مواد آلی باقیمانده موجب می شود اسید فسفریک تولیدی، رنگ بگیرد و از این رو، مواد آلی، اثرات رنگی بر روی محصول نهایی نیز ایجاد می کنند.
رطوبت نیز موجب می شود تا فرایند سایش به خوبی انجام نشود و وزن مواد معدنی، افزایش یابد. از این رو، این ماده نیز برای خریداران، مضر تلقی می شود. کلسیم سولفات یک ماده ی مضر تلقی نمی شود زیرا این ماده در آب محلول نیست و با فیلتر، از واکنش خارج می شود.
در فرایند خشک نیز از سنگ های فسفاتی با عیار پایین تر، استفاده می شود.
استفاده های از فسفریک اسید: این اسید در تولید برخی کودها مانند مونو و دی فسفات ها، و فسفات های سه گانه، کاربرد دارد. سایر استفاده ها از این اسید، عبارتند از:
فسفات ها در تولید شیشه های خاصی استفاده می شوند که در لامپ های سدیمی کاربرد دارند.
بر پایه ی اسید فسفریک، انواع مختلفی از مواد فسفات سدیمی مانند سدیم تری پلی فسفات، سدیم پیروفسفات، دی سدیم فسفات، تری سدیم فسفات، تترا سدیم پیروفسفات، سدیم مونو فسفات و ... تولید می شوند. این مواد در فرآوری محصولات مختلف از جمله پنیر، تولید خمیردندان و تصفیه ی آب کاربرد دارند.
سدیم تری پلی فسفات (STPP): این ماده در تولید شوینده ها کاربرد دارد اما برخی کشورها، استفاده از این ماده را ممنوع کرده اند. این ماده یکی دیگر از مواد فسفاتی است که به عنوان گرید خوراکی فسفات، تلقی می شود.
اسید فسفریک تولید شده از عنصر فسفر در تولید برخی آب میوه ها، مورد استفاده قرار می گیرد.
سدیم تری پلی فسفاتل (STPP): این ماده در برخی صنایع به عنوان شوینده، مورد استفاده قرار می گیرد. این ماده با مواد سخت مانند کلسیم یا منیزیم مخلوط می شود و موجب تشکیل کمپلکس های محلولی می شوند که موجب حذف و شستشوی چربی می شوند. این ماده شوینده، همچنین موادی همچون آهن و منگنز را نیز می شوید.
سدیم آمونیوم هیدروژن فسفات: این ماده نمکی است که در آزمون شعله ی فلزات، استفاده می شود. وقتی این ماده حرارت داده می شود، این ترکیب سدیم هگزا متا فسفات یا کلاژن تشکیل می دهد که به عنوان یک ماده ی جلوگیری کننده از تشکیل جرم در بویلرها، کاربرد دارد.
اسید فسفریک به دلیل قابلیت قابلیت انتقال گزینشی هیدروژن، به عنوان الکترولیت در پیل های سوختی اسید فسفریکی، کاربرد دارد. دمای عملیاتی یک چنین پیل هایی معمولاً بین 150 تا 200 درجه ی سانتیگراد است و خروجی یک پیل منفرد می تواند تا 200 KW نیز برسد.

تولید فسفر عنصری

فرایند تولید: فسفر زرد، بوسیله ی فرایند الکتروترمال، تولید می شود. سنگ معدن فسفردار، ابتدا در دمای 1300 درجه ی سانتیگراد، زینترینگ می شود. سپس فسفات زینتر شده، در یک کوره ی قوس الکتریکی و به همراه کک و سیلیس، ذوب می شود. در این حالت، فسفر تبخیر می شود و به همراه مونوکسید کربن، خارج می شود. باقیمانده ی مخلوط کلسیم سیلیکات می باشد که به عنوان سرباره خارج می شود. این مخلوط سرد می شود و تنها فسفر است که میعان کرده و به صورت مایع در می آید. گاز مونوکسید نیز به صورت گاز، از فرایند خارج می شود. فسفر زرد به محض تولید، تصفیه می شود. برای تولید فسفر قرمز، فسفر نوع زرد، تا دمای 240 درجه، حرارت داده می شود و یا در برابر نور خورشید قرار داده می شود تا بدین صورت، آرایش های اتمی لازمه در این نوع فسفر، ایجاد شود.
ویژگی ها: فسفر عنصر اصلی موجود در این ماده ی اولیه می باشد و بنابراین، میزان ان در داخل سنگ معدن، باید تا حد ممکنه بالا باشد. سیلیس یک ماده ی مضر در ماده اولیه تلقی می شود زیرا این ماده موجب می شود تا فضای قابل توجهی از کوره، گرفته شود. در واقع سیلیس می تواند در دمای 1300 با کلسیم موجود در سنگ فسفاته واکنش دهد و توده ی ذوب شده ای از کلسیم سیلیکات تشکیل دهد که مشکلاتی را در فرایند تولید، ایجاد می کند. فلئور و کلرنیز مواد مضری برای این فرایند تلقی می شوند زیرا هر دوی این مواد، موادی خورنده هستند و موجب خورده شدن ادوات کارخانه می شوند. در مورد کلسیم کربنات نیز، مقادیر زیاد از آن، موجب می شود تا میزان پنتااکسید حاصله، کاهش یابد. اکسید کلسیم نیز بعد از حرارت دهی در دمای 1300 درجه، افزایش حجم پیدا کرده و موجب افزایش حجم سرباره می شوند. اکسید آهن و آلومینا نیز موجب مصرف شدن پنتااکسید فسفر می شوند. مقادیر بالای این دو ماده در داخل مخلوط موجب ایجاد ناخالصی در داخل سرباره می شود که اختلال در فرایند تولید پنتااکسید فسفر می شود. سنگ های مورد استفاده در این فرایند باید سخت و متراکم باشند تا بتوان آنها را به صورت مستقیم به کوره شارژ کرد.
منابع تحقیق :
Uses of Industrial Minerals, Rocks and Freshwater/ Kaulir Kisor Chatterjee
استفاده از مطالب این مقاله، با ذکر منبع راسخون، بلامانع می باشد.