FI89036C - Foerfarande foer framstaellning av fosfater genom smaeltning - Google Patents

Description

1 89036

Menetelmä fosfaattien valmistamiseksi sulattamalla

Keksinnön kohteena on menetelmä fosfaattien valmistamiseksi 5 sulattamalla niiden prekursoreita niin, että tapahtuu pre-kursoreiden lämpökondensaatio.

On tunnettua, että fosfaatteja voidaan saada sulattamalla niiden prekursoreita. Sulatusta käyttäen voidaan valmistaa 10 halogeenifosfaatteja, jotka ovat anionin P03X2* suoloja, kaavassa X on halogeeni.

Näitä suoloja saadaan yleensä sulattamalla prekursoreita, jotka voivat toisaalta olla ortofosforihapon, pyrofosforiha-15 pon tai metafosforihapon suoloja ja toisaalta halogenidien, esim. alkalisten tai maa-aikaiisten metallien halogenidien suoloja, erityisesti mainittakoon natriumfluoridi.

Samoin on tunnettua, että polyfosfaattityyppisiä fosfaatte-20 ja, ortofosfaatti- tai pyrofosfaattipolymeerejä, voidaan valmistaa niiden prekursoreita sulattamalla. Sulatusta käyttäen saatavista polyfosfaateista voidaan mainita ne, jotka kuuluvat ryhmiin: 25 tripolyfosfaatit, jotka ovat tripolyfosforihapon suoloja (vain suoloja pystytään käyttämään), kaava H5P3O10, metafosfaatit, jotka ovat metafosforihappojen (HP03)n suoloja, kaavassa n on kokonaisluku (kun n on 3 tai 4, happo tai sen suola on syklisessä muodossa ja kun se on 5 tai 30 enemmän, happo tai sen suola on lineaarisessa muodossa)

Polyfosfaatit voidaan valmistaa sulattamalla ortof osf asteista.

:35 Kuumuudessa ortofosfaatit kondensoituvat, kunnes syntyy haluttu polymeeri. Muitakin prekursoreita on mahdollista käyttää .

2 89036

Tripolyfosfaatteja voidaan saada sulattamalla pyrofosfaatte-ja, metafosfaatteja sulattamalla pyrofosfaatteja, tripolyfosfaatteja tai muita metafosfaatteja.

5 Näissäkin tapauksissa tapahtuu kondensoituminen lämmön vaikutuksesta (termokondensaatio). Termokondensaatiossa vapautuu vesihöyryä.

Fosfaattien suolamuodot syntyvät yhden tai useamman metallin 10 vaikutuksesta.

Metallien määrä ja laatu voivat olla riippuvaisia edellä kuvatuista fosfaattiprekursoreista, mutta myös muista pre-kursoreista, esim. mineraalisuoloista, vaikkapa edellä mails nituista halogenidien suoloista tai alkali- tai maa-alkali-metallien suoloista.

Näihin aikoihin asti fosfaattien valmistus sulattamalla on toteutettu lasinsulatusuunin tyyppisissä uuneissa. Tällai-20 silla uuneilla on kuitenkin useita haittapuolia.

Näissä suurikokoisissa uuneissa seinämät muodostuvat heijastavaa ainetta olevista tiilistä, joita sitoo toisiinsa sementti. Yleensä heijastava aine on zirkoni.

25

Niinpä näistä uuneista saatavat fosfaatit ovat aina zirkoniumin likaamia, eivätkä ne silloin sovi kaikkiin sovelluskohteisiin, esim. maataloudessa maanviljelyssä käytettäväksi .

30 Tällaiset uunit eivät myöskään ole monikäyttöisiä siinä mielessä, että jos niissä valmistetaan polyfosfaatti yhtä metallia käyttäen, samaa uunia ei voida käyttää polyfosfaatin valmistamiseen jotain toista metallia käyttäen ilman haitai-35 lista likaantumista. Ensimmäisestä polyfosfaatista jää jäämiä sulatusuuniin. Kun uunia käytetään toisenlaisen polyfosfaatin valmistukseen, jäämät vaikuttavat haitallisesti ai- 3 89036 neen puhtauteen. Yleensä samaa uunia ei helposti käytetä kuin yhdenlaisen fosfaatin valmistukseen.

Lisäksi on huomattu, että kun tällaisia uuneja käytetään 5 korrosiivisten aineitten, kuten halogeenifosfaattien ja joittenkin polyfosfaattien valmistukseen, uunit syöpyvät. Syöpymistä tapahtuu ennen kaikkea korrosiivisten aineiden vaikuttaessa tiiliä sitovaan sementtiin.

10 Lopuksi mainittakoon, että tällaiset sulatusuunit kuluttavat paljon energiaa, tuotetun aineen kustannukset ovat suhteellisen korkeat ja koska uunit ovat niin massiivisia, kestää tunteja, jopa päiviä, ennen kuin sulamislämpötilaan päästään.

15

Edellä mainittujen ongelmien poistamiseksi on keksinnön mukaisesti kehitetty fosfaattien valmistusmenetelmä, jossa näitä tuotteita valmistetaan sulattamalla, eivätkä ne ole zirkoniumin likaamia.

20 Tätä menetelmää käytettäessä voidaan käyttää peräjälkeen fosfaatteja, joissa voi olla erilaisia metalleja. Menetelmä säästää lisäksi suhteellisen paljon energiaa, sen toteuttaminen ei kestä kauan, eikä vaadittu tila ole suuri.

.'.25

Keksinnön mukaiselle menetelmälle on tunnusomaista se, että sulattaminen suoritetaan sähkömagneettisessa yksikierukkai-sessa induktioupokasuunissa.

30 Keksinnössä sulatus tapahtuu yleensä sähkömagneettista suur-taajuusinduktiota käyttäen.

Kun fosfaatteja valmistetaan sulattamalla, sanottujen fosfaattien prekursorit yleensä termokondensoituvat kuumuudessa - 35 ja sulakylpyyn vapautuu vettä. (Keksinnössä termokondensaa- tiolla tarkoitetaan prekursorien kuumuudessa tapahtuvaa kondensoitumista, josta selvin seuraus on veden vapautuminen).

4 89036

On tunnettua, että tällaisissa olosuhteissa veden läsnäolo lisää huomattavasti resistiivisyyttä. Veden vapautuminen katsotaan jopa siinä määrin haitalliseksi, että se voi kokonaan estää tällaisen fosfaattien valmistamisen sulattamalla 5 induktiota käyttäen.

Keksinnön käytännön toteuttaminen osoittaa kuitenkin yllättävästi, että näin ei ole, vaan on täysin mahdollista valmistaa fosfaatteja sulattamalla induktiota käyttäen.

10 Tämä keksintö kattaakin yhdisteiden valmistusmenetelmän sulatusta ja sanottujen yhdisteiden prekursorien termokonden-sointia käyttäen. Menetelmä on tunnettu siitä, että sulatus ja termokondensointi toteutetaan sähkömagneettista induk-15 tiota käyttäen.

Keksinnössä sulattaminen toteutetaan yksikierukkaisessa in-duktioupokasuunissa, joka on mieluiten jatkuvatoiminen.

20 Induktioupokasuuneissa valmistettavasta tuotteesta muodostuu seinämiin eristävä kerros.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä käytettävät uunit ovat ns. kierukkaupokasuuneja, joissa on yksi jostain johtavasta ai-25 neesta, esim. kuparista valmistettu kierukka, jota jäähdytetään kierrättämällä jäähdyttävää nestettä, esim. vettä.

Kierukka, jossa kulkee suurtaajuusinduktiovirta, on itse osa uunin seinämiä.

30

Kierukkaupokasuunit kuluttavat yleensä vähemmän energiaa ja niiden hyötysuhde on parempi kuin kylmäupokasuuneissa.

Keksinnön kannalta erittäin edullinen uuni on esim. EP-pa-35 tentissä 119877 kuvatun kaltainen uuni, jolla on saatu erittäin hyviä tuloksia. Uunin sylinterin muotoisessa seinämässä 5 89036 kulkee spiraalin muotoinen kierukka, useita kierroksia kiertävä yksi ainoa kierukka. Uuni voi olla jatkuvatoiminen.

Keksinnön mukaisessa menetelmässä fosfaattien prekursorit 5 pannaan induktiouuniin. Ne voivat olla jauheen muodossa, mahdollisesti myös massana.

Uunin seinämissä kulkeva induktiovirta lämmittää sanottuja prekursoreita sähkömagneettisen induktion avulla kunnes ne 10 alkavat sulaa.

Edullisesti prekursorien sulatus käynnistetään "aloittimen" avulla.

15 Aloitin voi olla esim. platinasta, zirkoniumista tai grafiitista valmistettu sauva tai rengas, joka pannaan prekursori-massaan. Aloitin kuumentaa konvektion avulla tietyn määrän prekursoreita, sitten se otetaan pois massasta. Yleensä aloitin poistetaan kun 30-60 % massasta on sulaa. Sulatus 20 toteutetaan sähkömagneettista induktiota käyttäen.

Aloitin voi olla zirkoniumia, valmiiseen tuotteeseen sitä jää erittäin vähän. Aloitin poistetaan niin nopeasti, että vain pieni osa valmistettavaa tuotetta likaantuu ja sekin 25 valmistuksen alkuvaiheessa. Mieluiten aloitin saisi olla ei-likaavaa grafiittia. Tämän tyyppiset aloittimet eivät kulu helposti.

Nopean jäähdytyksen ansiosta uunin sisäpinnoille muodostuu 30 nopeasti fosfaattikerrostuma, joka eristää sulatuotetta uunin seinämistä. Sulatuote voidaan koota ylikaatoa käyttäen.

Kun valmistettu tuote on koottu, uuniin voidaan lisätä uusia prekursoreita jatkuvalla syötöllä käyttämällä esim. tärysup- 35 piloa.

6 89036

Keksinnön kohteena oleva menetelmä voidaan toteuttaa myös niin, että prekursoreiden sulatus tapahtuu etukäteen induk-tiouunissa sulatetun termokondensoidun halutun suolan läsnäollessa. Termokondensoitua sulaa suolaa tulee olla niin pal-5 jon, että saadaan aikaan induktiokuumennus ja terminen massa, joka pystyy sulattamaan jälkeenpäin lisätyt prekursorit. Näin toimimalla prekursoreiden sulaminen tapahtuu huomattavasti nopeammin, eikä seinämiin tiivisty vesihöyryä.

10 Kun keksinnön mukainen fosfaattien valmistus on loppuun suoritettu, voidaan aloittaa uusi jakso, jossa voidaan käyttää jotain muuta fosfaattia.

15 Riittää, kun uunin seinämiin muodostunut kerros rikotaan ja uuniin pannaan seuraavan valmistettavan tuotteen prekursorit .

Erään toisen, keksinnön mukaisen, toteutusmuodon mukaan uu-20 nin, johon prekursorit pannaan, sisäpinnat voidaan peittää jollain heijastavalla materiaalilla. Tällaiseksi heijastavaksi aineeksi sopii esim. zirkoni tai piioksidi.

Tässä tapauksessa valmistettavan tuotteen kerrostuma syntyy 25 tälle pinnalle eikä enää suoraan uunin seinämiin.

Sanottu kerros voi olla zirkonia eikä se vaikuta valmistettavan tuotteen puhtauteen juuri lainkaan, sillä zirkoniker-roksen pintaan muodostuu nopeasti fosfaattikerrostuma, joka 30 erottaa zirkonikerroksen sulatuotteesta.

Valmistettavien fosfaattien prekursoreiden sulatuksen toteuttamiseen tarvittava induktiovirta saa olla 50-500 kilo-hertsiä, edullisesti 5-40 kilohertsiä.

35 7 89036

Fosfaateista, joita keksinnön mukaisella menetelmällä voidaan valmistaa, voidaan mainita halogeenifosfaatit ja poly-fosfaatit.

5 Halogeenifosfaateista voidaan mainita vähintään yhden alka- li-tai maa-aikaiimetalIin fluorifosfaatit, erityisesti di-natriummonofluorifosfaatti.

Keksinnön mukaista menetelmää käyttämällä valmistettavista 10 polyfosfaateista voidaan mainita tripolyfosfaatteihin tai metafosfaatteihin kuuluvat, esim. natriumheksametafosfaatti, natriumpentapolyfosfaatti ja/tai natriumtetrapolyfosfaatti. Kaikissa näissä suoloissa on vähintään yhtä metallia.

15 Metalleista voidaan mainita erityisesti alkali- ja maa-alka-limetallit, alumiini, kupari, vanadium ja rauta.

Seuraavat esimerkit ovat kuvaavia, niiden ei voida katsoa rajoittavan keksinnön ajatusta tai suojapiiriä.

20

Esimerkki 1

Natriumheksametafosfaatin valmistus

Yksikierukkaiseen induktioupokasuuniin, jollaista kuvataan 25 esim. EP-patentissa 119877, jonka uunin sisähalkaisija on 600 mm ja korkeus 300 mm, ja jonka sisäpintaa peittää zir-konikerros, pannaan lähtöaineeksi 110 kg natriumheksameta-fosfaattia. Energiaa tuottaa 50 kilowatin generaattori, taajuus 35 kilohertsiä. Lähtöaineeseen pannaan zirkoniumaloi-30 tin, jonka ansiosta sulaminen alkaa.

Aloitin poistetaan sulakylvystä noin 2 tunnin kuluttua ja aletaan syöttää jatkuvasti dinatriumpyrofosfaattihappoa.

35 Syöttäminen tapahtuu tärysuppilon avulla, 60-80 kiloa tunnissa. Saatu natriumheksametafosfaatti kootaan jatkuvasti ylikaadolla muotteihin ja jäähdytetään.

8 89036

Natriumheksametafosfaattia saadaan noin 80 kiloa tunnissa.

Saatu tuote hienonnetaan jäähdytyksen jälkeen veitsimyllyllä ja analysoidaan.

5

Tuotteen ominaisuudet ovat: keskimääräinen ketjun pituus 23, yli 65 painoprosenttia P205, 10 ei lainkaan tuotetta, jonka ketjun pituus olisi 1-3, ei lainkaan liukenematonta ainetta.

l-painoprosenttisen heksametafosfaatin vesiliuoksen pH-arvo on 6,25.

15

Esimerkki 2

Natriumpentapolyfosfaatin valmistus

Samanlaiseen uuniin kuin esimerkissä 1, jossa kulkee saman -20 lainen induktiovirta, pannaan lähtöaineeksi 120 kg natrium-pentapolyfosfaattia. Käytetään zirkoniumaloitinta, joka poistetaan 2 tunnin kuluttua.

Uuniin syötetään jatkuvasti mono- ja dinatriumortofosfaat-25 tia, painosuhde:

NaH2P04/Na2HP04 = 2 käyttäen tärysuppiloa, syöttönopeus 60-80 kg/h.

30

Saatu pentapolyfosfaatti kootaan jatkuvatoimisesti ylikaa-dolla muottiin ja sen jälkeen suoritetaan jäähdytys.

Natriumpentapolyfosfaattia saadaan 80 kiloa tunnissa.

35 Jäähtynyt tuote hienonnetaan veitsimyllyllä ja analysoidaan.

9 89056

Saadulla tuotteella on seuraavanlaiset ominaisuudet: keskimääräinen ketjun pituus 4,5-5,25 suhde Na/P on 1,31 5 lasitiheys 2,45.

1-painoprosenttisen natriumpentapolyfosfaatin vesiliuoksen pH-arvo on 7,8.

10 Esimerkki 3

Dinatriummonofluorifosfaatin valmistus (Ν32Ρ03Ρ)

Samanlaiseen uuniin kuin esimerkissä 1, samanlaista induk-tiovirtaa käyttäen, pannaan 70 kg lähtöainetta: 15 71 % natriumheksametafosfaattia ja 29 % natriumfluoridia.

Prekursorit kuumennetaan grafiittialoitinta käyttäen. Sulaminen alkaa.

20 Aloitin poistetaan 75 minuutin kuluttua ja uuniin syötetään jatkuvalla syötöllä edellä kuvatun laista jauhetta.

Syöttämisessä käytetään tärysuppiloa, 60-80 kg/h.

25 Noin 2 tunnin kuluttua saatu tuote kootaan jatkuvatoimisesti muottiin ja jäähdytetään.

Tuotteen analysointi osoittaa dinatriummonofluorifosfaatin pitoisuudeksi 86 %.

30 l-painoprosenttisen saadun tuotteen vesiliuoksen pH-arvo on 7,8.

ίο 89036

Esimerkki 4

NatriumtetraDolvfosfaatin valmistus (Na^P1 Q13l

Samanlaiseen uuniin kuin esimerkissä 1, samanlaista induk-5 tiovirtaa käyttäen, pannaan 80 kg lähtöainetta, joka sisältää mono- ja dinatriumfosfaattien seosta painosuhteessa Na H2P04/Na2HP04 = 1,38.

Prekursorit kuumennetaan grafiittialoitinta käyttäen. Sula-10 minen alkaa.

Aloitin poistetaan 75 minuutin kuluttua ja uuniin syötetään jatkuvalla syötöllä edellä kuvatunlaista jauhetta.

15 Syöttämisessä käytetään tärysuppiloa, syöttönopeus 60-80 kg/h.

Noin 2 tunnin kuluttua saatu tuote kootaan jatkuvatoimisesti muottiin ja jäähdytetään.

20

Tuotteen analysointi osoittaa: keskimääräinen ketjun pituus 3,9-4,3 moolisuhde Na/P = 1,38 + 0,01 25 1-painoprosenttisen vesiliuoksen pH-arvo - 8,05 P205-pitoisuus prosentteina = 59,85 + 0,5.

Claims (11)

11 8 9036

1. Menetelmä fosfaattien valmistamiseksi sulattamalla niiden prekursoreita niin, että tapahtuu prekursoreiden lämpö-kondensaatio, tunnettu siitä, että sulattaminen suoritetaan 5 sähkömagneettisessa yksikierukkaisessa induktioupokasuunis-sa. * 2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että menetelmä toteutetaan jatkuvatoimisena. 10

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että prekursoreiden sulatus aloitetaan aloittimen avulla.

4. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että prekursoreiden sulatus toteutetaan kun läsnä on etukäteen sulatettua termokondensoitua haluttua fosfaattia.

5. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että sulatus toteutetaan käyttämällä taajuudeltaan 50-500 kilohertsin induktiovirtaa, edullisesti 5-40 kilohertsiä.

6. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että sulatus toteutetaan induktio-uunissa, jonka sisäseinämät on peitetty heijastavan aineen kerroksella.

7. Jonkin edellisen patenttivaatimuksen mukainen menetel mä, tunnettu siitä, että valmistetaan fosfaatteja, jotka ovat halogeenifosfaatteja tai polyfosfaatteja.

8. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu sii-35 tä, että valmistetaan halogeenifosfaatteja, jotka ovat vähintään yhden alkali- tai maa-alkalimetallin fluorifosfaat-teja. ia 89036

9. Patenttivaatimuksen 8 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että valmistetaan dinatriummonofluorifosfaatin kaltaista fluorifosfaattia.

10. Patenttivaatimuksen 7 mukainen menetelmä, tunnettu sii tä, että valmistetaan polyfosfaatteja, jotka ovat tripoly-fosfaatteja tai metafosfaatteja. li. Patenttivaatimuksen 10 mukainen menetelmä, tunnettu 10 siitä, että valmistetaan natriumheksametafosfaatin, natrium-pentapolyfosfaatin tai natriumtetrapolyfosfaatin kaltaisia metafosfaatteja. 15