DE1925181A1

DE1925181A1 - Verfahren zur Herstellung von Zinknatrium- und Zinkkaliumphosphat und deren Verwendung

Info

Publication number: DE1925181A1
Application number: DE19691925181
Authority: DE
Inventors: Mueller Dr Frank
Original assignee: MUELLER DR FRANK
Current assignee: MUELLER DR FRANK
Priority date: 1969-05-17
Filing date: 1969-05-17
Publication date: 1971-01-14

Description

Verfahren zur Herstellung von Zinknatrium- und Zinkkaliumphosphat und deren Verwendung.
Zinkkaliumphosphat wurde in den letzten Jaliren technisch interessant.
Während sich die Verbindung theoretisch nach folgender Gleichung ZnCl2 + 3 KOH + H3PO4 #=ZnKPO4 + 2 KCl herstellen läßt, wird in der Praxis (1) folgendes Verfahren beschrieben: ZnCl2 + 16 K2HPO4 = ZnKPO4 + 2 KCl + 14 K2HPO4 + KH2PO4 oder ZnCl2 + 32 KOH + 16 H3PO4 = ZnKPO4 + 2 KCl + 29 KOH + 15 H3PO4 Das so hergestellte ZnKPO4 fällt so fein an, daß es nicht filtriert werden kann, sondern zentrifugiert werden muß.
ZaNaPO4 wurde bisher als nicht so @nteressant angesehen, daß man sich in der Praxis mit wirtschaftlichen Herstellungsmethoden b.-faßt hätte0 Bs wurde nun ein Weg gefunden, auf des sioh die Zinkalkaliphosphate wirtschaftlich darstellen lassen, ohne einen zu großen Überschuß an Alkalihydroxyden zu benötigen.
ZnKPO4 läßt sich in 98 %iger Ausbeute und mit guter Reinheit darstellen, wenn nach felgender Gleichung gearbeitet wird: ZnSO4 (Cl2) + 3,9 KOH + 1,3 H3PO4 = ZnKPO4 + K2SO4 (2 KCl) + 0,3 K3PO4 Diese Gleichung ergibt sich aus 5 Ansätzen, die in Beispiel 1 näher erlautert sind.
Beispiel 1.
Ansatz 1 : In i @ H2O werden 168,3 g KOH (3 Mol) und 115 g H3PO4 85 %ig (1 Mol) gelöst. Die Lösung wird unter Rühren zum Sieden erhitzt und es werden 30 ml einer Lösung von 68,2 g ZnCl2 (0,5 HOl) in 300 ml H2O zugefügt. Es fällt ein weißer flockiger Niederschlag aus. Der pH Wert der Suspension liegt bei 11. Nach 2 Stunden Rühren bei 900C wird der Rest der ZnCl2-Lösung innerhalb 1 Stunde zugetropft: pH 8. Anschließend wird noch 4 Stunden bei 90°C gerührt und danach der Niederschlag abfiltriert. Er ließ sich ausgezeichnet filtrieren. Nach mehrmaligem Waschen mit heißem H2O wird bei 120°C getrocknet. Die Mutterlange wird erneut eingesetzt, um als Lösungsmittel für KOH und H3PO4 für den nächsten Ansatz zu dienen. Der Verdampfungsverlust - die Reaktion wird in einem pffenen Behälter durchgeführt - wird durch Waschwasser ausgeglichen.
Ansatz 2: In i @ Mutterlange von Ansatz 1 werden 84,2 g KOH (1,5 Mol) und 57.5 g H3PO4 85 %ig (0,5 Mol) gelöst. Unter Rühren werden bei 90 - i000C 30 ml einer Lösung von 68,2 g ZnC12 (0,5 Mol) in 300 ml 0 zugegeben und nach 2 Stwiden iunerhalb von 1 Stunde der Rest der Lösung: ## pH: 7,5. Nach 4 Stunden nachrühren bei 90°C wurde wieder abgesaugt, gewaschen und getrocknet.
Die Ansätze 3 - 5 wurden analog durchgeführt. Wenn der pH Wert der Suspension nach Zugabe der gesamten ZnCl2-Lösung nicht zwischen 7,5 und 8 lag, wurde er durch Zugabe einer H3PO4-Lösung eingestellt.
Ans. KOH H3PO4 85% Z@Cl2 ZnKPO4 g Mol g Mol g Mol g Mol 1 168,3 3 115,0 1 68,2 0,5 96,7 0,485 2 84,2 1,5 57,5 0,5 68,2 0,5 98,0 0,490 3 89,7 1,6 60,9 0,53 68,2 0,5 97,0 0,486 4 101,0 1,8 69,0 0,6 68,2 0,5 97,8 0,490 5 101,0 1,8 69,0 0,6 68,2 0,5 98,5 0,493 S 544,2 9,7 267,9 3,23 341,0 2,5 488,0 2,444 oder ZnCl2 + 3,88 KOH + 1,29 H3PO4 = 0,98 ZnKPO4 + 2 KCl Das Endprodukt fiel jedesnal gut filtrierbar und mit guter Reinheit an. Analyse: @erschnet % Gefunden Ansatz 1 2 3 4 5 Zn 32,8 32,4 32,5 32,3 32,6 32,2 K 19,5 19,7 19,5 19,1 18,2 19,0 P 15,6 15,5 15,6 15,9 15,8 15,7 Diese Reaktion kann ohne weiteres kontinuierlich gestaltet werden, wenn 2 Voraussetzungen erfüllt werden: 1.) Der pH-Wert im Reaktionsbehälter soll zwischen 7,5 - 8,5, am besten bei fl liegen. 2.) Das anfallende K2SO4 oder KCl, je nachden ob ZnSO4 oder ZnCl2 eingesetzt wird, sollte aus der Mutterlauge bis zu einem Prozentsatz von 10 - 25 % entfernt werden. Anstelle von ZnSO4 oder ZnCl2 @ann jedes andere wasserlösliche Zinksalz eingesetzt werden. Aus wirtschaftlichen Überlegungen wird man jedoch den beiden Genannten den Vorzug geben. Die verwendete H3PO4 kann in der Konzentration von 28 - 85 % schwanken. Es kann Naß-Thosphersäure oder thermische Säure verwendet werden, Je nach angestrebten Reinheitegrad des Endproduktes.
Das bei der Fällreaktion anfallende ZnKPO4 zeichnet sich durch eine große Reinheit und eine sehr einheitliche Korngröße von 1 - 2 µ aus.
Ein gröberes Produkt mit einer mittleren Korngröße von 20 - 30 µ erhält man durch folgende Reaktion: ZnO + KOH + K3PO4 = ZnXPO4 + H2O Beispiel 2.
56 g KOH wurden in 270 g H3PO4 28 %ig gelöst. Dansch kamen unter Rühr@n 81,4 g ZnO hinzu. Der pH Wert stieg von ursprünglich 2,5 auf 5,5. Nach 1 Stunde Rühren bei 80°C waren in der über dem Niederschlag stehenden Flässigkeit kau@ noch PO4-3-Ienen nachruweisen, der pH Wert lag bei 6,7. Der Niederschlag w@rde abgesaugt und bei 120°C getrocknet. Ausbeute 196 g @ 96 6.
Analyse: % Za 32,5 Na 18,7 P 15,0 Auch diese Reaktion kann kontinulerlich geführt werden. Anstelle des festen KOH kann auch eine 20 - 50 %ige Lösung genommen werden, Es ist vorteilhaft die H3PO4 i@@er in einem gan@ geringen Unterschuß zu halten: ZnO + KOH + 0,97 - 0,99 H3PO4. Dann ist es sehr einfach das Ende der Umsetzung festz@stellen, inden der Nachweis erbracht wird, daß in der überstohenden Flüssigkeit keine PO4-3-Ionen mehr nachzuweisen sind.
Bei der Fällreaktion Zn+2 + Na+ + PO4-3 ist in Ge@enentz zum ZaKPO4 kein Überschaß an Na3PO4 nötig. In Gegenteil, wird ein Überschuß verwendet, dann okkludiert der ausfallende Niederschlag soviel Na3PO4, daß die Analyse des Endprodu@tes einen 20 - 50 % ru hohen Na und P-Wert anseigt. @rst durch langwieriges Waschen mit heißem Wasser ist das auhaftende Natriumph@sphat zu entfernen. Die Reaktion verläuft also hier nach der Gleichung: ZnSO4 (Cl2) + 3 NaOH + H3PO4 = ZnNaPO4 + Na2SO4 (2 NaCl) Beispiel 3.
322 g H3PO4 85 %ig werden in 2 @ H2O gelöst. Hinzu ko@@@en 336 g NaOH. Die Lösung wird au#f 80°C geheizt und unter Rühren werden 30 ml einer Lösung von 382 g ZnCl2 in 300 ml H2O zugegehen. Nach 3 Stunden Rühren bei 80°C wird der Rest der ZnCl2-Lösung innerhalb von 2 Stunden zugetropft. Nach 2 Stunden Nachrühren waren in der überstehenden Flüssigkeit kaum noch PO4-3-Ionen nachzuweisen. Das gut filtrierbare Produkt wurde abgesaugt, 3 mal mit heißem Wasser gewaschen und bei 140°C getrocknet. Ausbeute 515 g.
Analyse: berechnet % gefunden Zn 35,6 35,1 Na 12,5 12,9 P 16,9 16,8 Die Reaktion itt ZnSO4 anstelle von ZnC12 verlief genau so.
Die Korngröße der Kristalle liegt bei 3 - 5 @. 15 - 3O große Kristalle erhält man, wenn die Reaktion nach ZnO + NaOH + H3PO4 # - ZnNaPO4 + H2O durchgeführt wird.
Beispiel 4.
1000 g H3PO4 28 %ig werden mit 226 g NaOH 50 %ig vermischt. Hinzu kommen unter langsanen Rühren 228 g ZnO. 30 Minuten danach lag der pH Wert bei 6 und in der überstehenden Flüssigkeit waren keine PO4-3-Ionen mehr nach@uweisen. Nach d@@ Abfiltrier@@ wird mit H2O kur@ gewaschen und bei 140°C getrocknet. Ansbeute 518 g.
Analyse: % n.
Na 12,5 P 17,1 Den Filtriervorgang kann man sparen, wenn von vornherein konzentrierter gearbeitet wird.
Beispiel 5.
In 200 g. H3PO4 50 %ig werden 40 g NaOH fest gelöst. Diese Lösung wird in einer Porzellanschale auf 80°C erhitzt und dann werden 81,4 g ZnO zugeset@t. Es entsteht ein Brei der unter öfterem Umrühren 2 Stunden auf Temperatur gehalten wird. Dansch wird der Brei fest. Er wird bei 140°C getrocknet und anschließend zerkleinert. Ausbe@te 185 g Analyse: % Zn 35,8 Na 12,3 P 16,7 Die Zinkalkaliphosphate können als Füllstoff von Lacken und Sunststoffen, vor allem als Füllstoff für Stahlgrundierungen (Korrosionsschutz) und als Spurenlementdünger Einsatz finden. Vor allem wird man hier dem billigeren ZnNaPO4 den Verzug geben.
Für das ZnNaPO4 ergeben sich zusätzliche Verwendungsmöglichkeiten in der Heilkunde. Die einheitliche Korngröße des gefällten Produktes und das bein Zerfall in sclnwach saurem Medium entstehende Gemisch aus primären bis tertiären Natriumphosphaten (Puffer) empfehlen die Verwendung in Hautpudern, Brandsa@ben etc.
Weiterhin ist ZnNaPO4 im Verschnitt mit Kleie und anderen Plill stoffen ein Therapeutikum zur Behandlung von akutem Zinkmangel in der Veterinärmedizin.
Die Wasserlöslichkeit von ZnNaPO4 ist sehr gering. Sie kann erhöht werden, indem bei der Darstellung CaSO4 mitgefällt wirda sodaß sich Mischverbindungen bilden.
Beispiel 6: ZnO + 0,5 Na2SO4 + 0,5 CaO + H3PO4 = ZnNaPO4 + 0,5 CaSO4 71 g Na2SO4 werden in 200 ml H2O mit 30 g CaO 95 %ig bei 80°C gerührt.
Nach 1 Stunde# werden 81,4 g ZnO und 115 g H3PO4 85 %ig in 400 ml H2O zugegeben. Es entsteht ein knetbarer Brei, dessen pH Wert sich nach 1 stündigem Kneten bei 80°C auf 6 eingestellt hatte. Die Masse wird durch Verdampfen des überschüssigen Wassers krümelig. Nach Trocknen bei 140°C liegt die Annbeute bei 260 g.
Analyse: berechnet % gefunden Na 9,1 8,8 257 g wurden in 1 I H2O 1 Stunde bei 80°C gerührt. Nach Absaugen und Trocknen lag die Ausbeute bei 221 g P 86 %.
Analyse: berechnet % gefunden Zn 26,0 28,5 Na 9,1 7,7 P 12,3 12,8 Ca 8,0 7,7 Beispiel 7: ZnSO4 + CaO + NaOH + H3PO4 = ZnNaPO4 + CaSO4 288 g ZnSO4.7 H2O werden mit 60 g CaO 95 %ig in 300 ml H2O gerührt.
Nach 1 Stunden werden 115 g H3PO4 85 %ig und 40 g NaOH in 200 ml H2O zugegeben. Das überschüssige Wasser wird im Verlauf von 4 Stunden verdampft und die zu@ückbleibende Masse bei 140° getrocknet. Ausbeute 320 g.
Analyse: berechnet % gefunden Zn 20,5 21,4 Na 7,2 8,8 P 9,7 9,0 ca 12X5 320 g wurden 1 Stunde bei 80°C in 1 1 Wasser gerührt, abgsaugt und getrocknet. Ausbeute: 294 g: Na-Gehalt: 6,8 %.
Durch den Einbau von Ca@@4 wird @@@ Wasserverfügbarkeit des Natriums erhöht, wie aus nachstehender Tabelle bervorgeht. Die Werte wurden erhalten, indem 2 e Produkt in 100 ml H2O 3, 24, 48 oder 192 Stunden ge@chüttelt wurden. Nach dem Absaugen und Trocknen wurde im Unlöslichen der Na-Gehalt bestimmt.
Stunden geschüttelt 0 3 24 48 192 % % % % % Na v. O Na v. O Na v. O Na v. O Na v. O ZnNaPO4 gefällt 12,5 100 - - 12,3 98,5 11,9 95,1 12,2 97,5 ZnNaPO4 Brei @@ 12,5 100 12,3 98,5 11,4 91,2 10,8 86,5 11,6 92,9 ZnNaPO4 + 0,5 CaSO4 9,1 100 7,7 84,5 5,8 63,7 5,9 64,8 5,0 55,1 ZnNaPO4 + CaSO4 7,2 100 6,8 94,5 4,3 59,6 4,0 5@,5 3,6 49,9 Die Zinknatriu@phosphat-Gips-Mischverbindungen können ebenfalls als Spurenelementdünger und zur Beasitigung von Zn-Mangelzuständen in der Veterinärnedizin verwendet werden.
Die Darstellung der in den Beispielen n - 7 beschriebenen Zininatriumphosphat-Verbindungen kann ohne Schwierigkeiten kontinuierlich gestaltet werden. Das sei in 2 Beispielen erläutert.
Beispiel 8: ZnNaPO4 In einem 3 1 Becherglas mit Rührer, das auf 80°C gehalten wird werden zu einer Lösung aus 350 g H3PO4 28 %ig und 240 g NaOH @0 %ig in 1 l H2O 50 ml einer Lösung von 287,5 g ZnSO4 # 7 H2O in 300 ml H2O gegeben. Nach 2 Stunden wird der Rest der ZnSO4-Lösung innerhalb l Stunde zugetropft. Die ## Suspension wird sofort danach in ein zweites 3 1 Becherglas gefüllt und dort weitergerührt (A1).
In der Zwischenzeit wurde eine weitere Na3PO4-Lösung bereitet aus 350 g H3PO4 28 %ig, 240 g NaOH 50 %ig und 1 l H2O @ Sie wird in das erste 3 1 Becherglas gefüllt, bei 80°C unter @ühren mit 50 ml der ZnSO4-Lösung (287,5 g in 300 ml H2O) versetzt und nach 2 Stunden Nachrühren wird innerhalb 1 Stunde der Rest der ZnSO4-Lösung zugetropft (A2).
Während die Verweilzeit im erste@ 3 1 Becherglas etwa 3,5 Stunden beträgt, wird die Su@pension (A1) aus dem zweiten Becherglas abfiltriert. Die Kristalle werden auf der Nutsche 2 mal satt heißem Wasser nachgewaschen und dann bei 140°C getrocknet. Die Mutterlauge mit den vereinigten Waschwässern (ca. 1,2 1), die in etwa den Verdampfungsverlust in den beiden offenen Reaktionsgefäßen (Bechergläsern) ausgleichen, wird verwendet, um die Na3PO4-Lösung für den 3. Ansatz zu erhalten.
Das zweite Becherg@as ist nach dem Filtrieren von (A1) rechtzeitig frei, um die Suspension (A2) anfzunchmen.
Di@ Mutterlauge wurde jeweils 3 mal in Umlauf gefahren und dann auf 1/3 einge@ngt. Nach Abkühlen auf 35°C wurde das überschüssige Na2SO4 abfiltriert. Das Filtrat wurde wieder auf 1 l aufgefüllt und ernant zum @ösen der H3PO4 und der NaOH verwendet.
Auf diese Weise wurden aus insgsamt 6 Ansätz@@, die in 24 Stunden durchgeführt werden kännten, 500 g Na2SO4 und 1060 g ZnNaPO4 mit ausgezeich@eter Reinheit und gleichmäßiger Kristallgröße (ca. 3µ) erhalten.
Beispiel 9: ZnNaPO4 + CaSO4 In einem heizbaren 1 l laborkneter aus V2A wurden 287,5 g ZnSO4.7 H2O 1 Stunde mit 60 g CaO 95 %ig in 300 ml H2O bei 85°C bewogt. Dasach wurde eine Lösung von 40 g NaOH in 200 g H3PO4 50 %ig zugesetzt.
Nach 2 Stunden Kneten bei 90°C war der Brei krümelig geworden; er wurde in einen Trockner übergeführt und dort bei 140°C getrocknet.
In der Zwischenzeit war in einem 1 l Becherglas eine weitere ZnSO4-CaO-Suspension angesetzt worden, der nach 1 Stunde die NaH2PO4-Lösung zugesetzt worden war. Der entstehende Brei war gut rührbar.
Er wurde nach Entle@ren des Kneters in diesen eingefüllt, da@it das überschüssige Wasser bei 90°C verdampfen kennte. Auf diese Weise konnte der En@ter @lle 2,5 Stunden neu beschickt werden, s@daß in 11 Stunden 1250 g ZnMaPO4 + CaSO4 erhalten werden kö@mtem.
Die @msetzung der Reaktionen der Beispiele 8 und 9 in@ @roßtechnische bedeutet für einen mit der Verfahrenstechni@ Vertrauten, k@fne @ chwierigkeit.

Claims

Ansprüche:

1) Verfahren zur @erstellung von Zinkalkaliphosphat - Verbindungen (Alkali - K oder Na), @adurch gekennzeichnet, daß wasserlösliche oder unlösliche Zinkverbindungen mit der stöchiometrisch notwendigen Menge Phosphorsäure und Alkalihydroxyd gegebenefalls in einem Überschaß von 0,5-0,9 Mol umgesetzt wird.

2) Verfahren nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß als Phosphorsäure thermische oder Naßware in einem Konzentrationsbereich von 25 - 85 % verwendet werden kann.

3) Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß als Alkalihydroxyd 20 - 85 %ige NaOH oder KOH oder festes Ätazlkali verwendet wird.

4) Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß als wasserlösliche Zinkverbindung Zinksulfat oder Zinkchlorid, gegebenenfalls aber auch jede andere wqsserlösliche Verbindung verwendet wird.

Es wird in wässeriger Lösung gearbeitet; der PH-Wert der Reaktionssuspension soll nach @ugabe der Zinklösung zur Alkaliphosph@@-Lösung bei 7,5 - 8,5 liegen.

5) Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 3 dadurch gekennzeichnet, daß in einer Breireaktion eine wasser@nlösliche @@@@ Verbindung, vorzugsweise Zinkoxyd oder Zink@arbonat, mit Alkalihydroxyd und Phosphorsäure im molaren Verhältnis 1 : 1 : 1 mu Zinkalkaliphosphat umgesetzt wird.

( Alkali = K oder Na).

6) Verfahren nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Wasserlöslichkeit der @inkalkaliphosphate durch Einbau von Calcium-@@@@@@ erhöht wird, indem enstelle von Alkalihydroxyden Alkalisulfate und Caleiumoxyd verwendet werden.

7) Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß nach Gleichung ZnO + 0,5 Na2SO4 + 0,5 CaO + @3PO4 = ZnNaPO4 + 0,5 CaSO4 als Mischverbindung hergestellt wird.

8) Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6 dadurch gekennzeichnet, daß nach Gleichung ZnSO4 + CaO + NaOH + H3PO4 = ZnNaPO4 + CaSO4 oder #### 0,5 ZnSO4 + 0,5 ZnO + 0,5 Na2SO4 + CaO + H3PO4 = ZnNaPO4 + CaSO4 als Mischverbindung hergestellt wird.

9) Verfahren nach Anspruch 1 - @ dadurch gekennzeichnet, daß die Herstellung der Zinkalkaliphosphat - Verbindungen mit an sich bekannten verfahrenstechnischen Einrichtungen (Bührkessel mit Überlauf, Drehfilter, Dr@hofentrockner, Kneter, Granuliertroumel, Mühle, Sieb etc.) kontinuierlich gestaltet wird.

10) Verwendung der nach Anspruch 1 - 9 hergestellten Zinkalkaliphosphatverbindungen als @@@ Spurenelementlieferanten für Pflanzen, Mensch und Tiere.