[123Doc] - Do-An-Nhap-Mon-Ki-Thuat-Hoa-Hoc-Ten-De-Tai-Tim-Hieu-Qua-Trinh-San-Xuat-Acid-Phosphoric-Tu-Quang-Apatit.pdf

ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
____________

ĐỒ ÁN NHẬP MÔN
Kĩ Thuật Hóa Học
Tên đề tài : TÌM HIỂU Q TRÌNH SẢN XUẤT
ACID PHOSPHORIC TỪ QUẶNG APATIT

Nhóm 5

LÊ HUY HỒNG

TRẦN THỊ HỒNG

NGUYỄN TIẾN HÙNG

LẠI QUỐC HUY

ĐINH HOÀNG KIÊN


Giảng viên hướng dẫn :

Nguyễn Cơng Bằng

Bộ Mơn:

Nhập mơn Kĩ Thuật Hóa Học

Viện :

Kĩ Thuật Hóa Học

Hà Nội, 3/2023


MỤC LỤC



LỜI MỞ ĐẦU
Lời đầu tiên cho nhóm em xin được cảm ơn Thầy đã truyền tải kiến thức đến
chúng em trong khoảng thời gian học tập này. Học phần “Nhập mơn Kĩ thuật Hóa
học” là một học phần quan trọng đối với sinh viên năm 1 Viện Kĩ thuật Hóa học chúng
em. Qua việc làm đồ án môn học chúng em có những hiểu biết rõ hơn về về chương
trình đào tạo ngành Kỹ thuật Hóa học; cũng như có được một số hiểu biết cơ bản về
các quá trình thuộc các lĩnh vực khác nhau của ngành Kỹ thuật Hóa học, nắm được
mối liên kết, giao thoa giữa khoa học cơ bản và kỹ thuật công nghệ. Chúng em cũng
được làm quen với phương pháp làm việc khoa học, tra cứu tài liệu, kỹ năng làm việc
nhóm, kỹ năng cơ bản về trình bày, thuyết trình một vấn đề là những kĩ năng làm việc
rất cần thiết cho chúng em sau này.
Ngày nay cùng với sự phát triển của cơng nghiệp hóa – hiện đại hóa đất nước, sự
đơ thị hóa một cách nhanh chóng cùng với sự phát triển của các ngành công – nông
nghiệp phục vụ đời sống của con người. Acid Phosphoric là một hóa chất phổ biển và
rất quan trọng trong ngành hóa cũng như trong các ngành công nghiệp, nông nghiệp
khác. Hay trong một số lĩnh vực y tế - sức khỏe, thực phẩm … cũng đang cần đến một
lượng lớn acid phosphoric để tạo ra các sản phẩm phục vụ cuộc sống con người. Nhận
thấy vai trò to lớn của loại acid này, các nhà máy hóa chất đã và đang đâu tư công
nghệ, áp dụng các tiến bộ của khoa học kĩ thuật vào sản xuất nhằm tạo ra được sản
phẩm tinh khiết đáp ứng nhu cầu thị hiếu của xã hội.
Với đề số 5 được giao, nhóm chúng em sẽ tìm hiểu vể Quá trình sản xuất Acid

Phosphoric từ quặng apatit . Và trong quá trình tìm hiểu cũng như tham khảo một số
tài liệu nghiên cứu khoa học, nhóm 5 chúng em xin phép được đề cập đến 2 phương
pháp sản xuất phổ biến acid phosphoric trong công nghiệp hiện nay là:
– Phương pháp ướt ( phương pháp trao đổi )
– Phương pháp pháp khô ( phương pháp nhiệt )
Và cịn 1 số phương pháp khác. Bên cạnh đó bài báo cáo của chúng em cũng
trình bày một số vấn đề khác như những tính chất, cấu tạo, đặc điểm acid
photphosphoric, ứng dụng thiết yếu của acid phosphoric trong đời sống cũng như trong
sản xuất.


CHƯƠNG I : TỔNG QUAN VÀ MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP
SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC
I. TỔNG QUAN VỀ ACID PHOSPHORIC
1. Tên gọi khoa học, đặc điểm cấu tạo
- Danh pháp khoa học ( Danh pháp IUPAC) của H3PO4 là Phosphoric acid.
Ngoài ra, nó cịn mang những tên gọi khác như trihiđroxiđioxiđophotpho, Acid
orthophosphoric. Nó hiện diện trong răng và xương và giúp ích trong q trình trao
đổi chất. Ở dạng lỏng, nó xuất hiện dưới dạng dung dịch trong suốt, không màu và
ở dạng rắn, nó xuất hiện dưới dạng chất rắn kết tinh, trong suốt.
- Cơng thức hóa học : H3PO4
- Cơng thức cấu tạo
+ Là liên kết cộng hóa trị phân
cực
+ Phopho có hóa trị V và số oxi hóa +5
+ Là acid 3 nấc :

K a = 7,5.10
1

= 6,2.10-8
Ka

2

K a = 4.8.10-13
3

Hình1.1 Công thức cấu tạo Acid Phosphoric

Hình 1.2. Mô hình cấu tạo Acid Phosphoric

-3


- Trong cấu trúc tinh thể của H3PO4 gồm có những nhóm tứ diện PO4 liên kết với
nhau bằng liên kết hidro

Hình 1.3. Cấu trúc tinh thể Acid Phosphoric

- Phân tử phosphoric có dạng tứ diện lệch
 Độ dài của d (P – O) = 1,52 Å, d (P – OH) = 1,57 Å
 Số đo một số góc cũng khơng giống nhau : góc ( O = P – OH )
= 1120
góc ( HO – P – OH ) = 1600

- Số CAS:

7664-38-2

- Số EINECS:

231-633-2

- Số RTECS

TB6300000

- MSDS:

1008

- Phân loại của EU:

Chất ăn mòn (C)

- Chỉ mục EU:

015-011-00-6

- Chỉ dẫn R:

R34

- Chỉ dẫn S:

(S1/2) S26 S45

- Điểm bắt lửa:

Không gây cháy nổ

2. Tính chất vật lý của Acid Phosphoric
Acid Phosphoric có 2 dạng tồn tại, có thể kết tinh dưới dạng tinh thể không
màu, hay là chất lỏng đặc ( > 42 0C ) trong suốt không màu.; mang vị chua; có
khối lượng mol 98,00g/mol. Khối lượng riêng theo 3 dạng khác nhau : 1.885 g/mL
( lỏng ); 1.685 g/mL ( 85% đậm đặc ); 2.030 g/ml ( tinh thể ở 25 0C ). Có nhiệt độ


nóng chảy là 42,35 0C ( dạng H3PO4.H2O có nhiệt độ nóng chảy 29,320C ); Nhiệt
độ sơi là 154 0C và bị phân hủy tại 213 0C.
Tan trong nước với độ tan là 548 g/100 mL nước. Trong cấu trúc tinh thể của
nó gồm có những nhóm tứ diện PO 4, liên kết với nhau bằng liên kết hidro. Cấu
trúc đó vẫn cịn được giữ lại trong dung dịch đậm đặc của acid ở trong nước và
làm cho dung dịch đó sánh giống như nước đường.
3. Tính chất hóa học của Acid Phosphoric
Với tính chất là một acid trung bình, Acid Phosphoric mang những đặc điểm
của acid điển hình như chất chung của acid như đổi mà quỳ tím thành đỏ, tác dụng
với oxit bazơ, bazơ, muối, kim loại. Khi tác dụng với oxit bazơ hoặc bazơ, tùy
theo lượng chất tác dụng mà sản phẩm là muối trung hòa, muối acid hoặc hỗn hợp
muối… Bên cạnh đó có một vài tính chất riêng :

-

Trong phân tử acid phosphoric P ở mức oxy hóa +5 bền nên acid

phosphoric khó bị khử, khơng có tính oxy hóa như acid nitric. Khi đun nóng dần
đến 260oC, acid orthophosphoric mất bớt nước, biến thành acid điphosphoric
(H4P2O7); ở 3000C, biến thành acid metaphosphoric (HPO3). Acid phosphoric là
acid ba nấc có độ mạnh trung bình, hằng số acid ở 250C có các giá trị :



H3PO4 ⇆ H2PO4- + H+

K1 = 7.10-3



H2PO4- ⇆ HPO42- + H+

K2 = 8.10-6



HPO42- ⇆ PO43- + H+

K3 = 4.10-13

-

Dưới tác dụng của nhiệt, còn xảy ra phản ứng nhiệt phân cho ra sản

phẩm theo từng nhiệt độ. Trong phân tử acid phosphoric P ở mức oxi hóa +5 bền
nên acid phosphoric khó bị khử, khơng có tính oxi hóa như acid nitric, do ngun
tử P có bán kính lớn hơn ngun tử N, dẫn mật độ điện dương trên P nhỏ nên khả
năng nhận e kém. Khi đun nóng dần đến khoảng 200 – 250

0

C acid

orthophosphoric mất bớt nước, biến thành acid điphosphoric (H4P2O7). Ở 400 –
500 0C, biến thành acid metaphosphoric (HPO3)
4. Lưu ý khi sử dụng Acid Phosphoric
Acid Phosphoric có tính ứng dụng rất lớn trong đời sống, do đó tiếp xúc với
con người thơng qua nhiều con đường khác nhau. Ví dụ như trong các sản phẩm


phục vụ nhu cầu hằng ngày như thức ăn, đồ uống… cũng có 1 lượng Acid
Phosphoric . Acid Phosphoric cũng có khả năng gây hại trong nhiều trường hợp.
a) Ảnh hưởng của acid Phosphoric đến cơ thể con người

- Giảm mật độ xương ở người, gây ra bệnh loãng xương khi sử dụng sản phẩm
có chưa acid Phosphoric trong thời gian dài.

- Ảnh hưởng đến thận do sử dụng quá nhiều sản phẩm đồ uống chứa acid
Phosphoric, dẫn đến những thay đổi tiết niệu, bệnh thận mãn tính, sỏi thận….

- Gây ra sự quá tải Phospho trong cơ thể, làm tăng độ acid trong cơ thể và làm
giảm khả năng sử dụng các chất dinh dưỡng khác như Fe, Mg, Zn,… Sự thiếu
hụt các chất khác dẫn đến những vấn đề về sức khỏe.

- Gây bỏng hóa học, thiệt hại các mô khi tiếp xúc trực tiếp với da, do có tính ăn
mịn. Cũng có thể gây kích ứng mũi, họng và
phổi, dẫn đến thở khò khè và ho.
b) Lưu ý khi bảo quản Phosphoric

- Luôn bảo quản ở nơi khơ ráo, thống mát, tránh
tiếp xúc trực tiếp với ảnh nắng hoặc các loại tia
lửa, các chất có tính oxi hóa, kim loại, kiềm,…

- Bảo quản trong các vật dụng bảo quản chuyên
dụng, sau khi sử dụng cần đậy nắp kín.

- Thường xuyên kiểm tra và vệ sinh nơi bảo quản
để kịp thời phát hiện và xử lý tình trạng rị rỉ
hóa chất, hạn chế tối đa thiệt hại khi xảy ra sự cố.

- Trang bị hệ thống chống cháy và chữa cháy tại nơi bảo quản.
c) Lưu ý khi sử dụng Phosphoric

- Sử dụng trong điều kiện thống gió, cần mặc quần

1.4 . Aicd Phosphoric được
bảo quản trong lọ thủy tinh

áo bảo hộ , đeo khẩu trang, mắt kính bảo hộ chuyên dụng trong quá trình sử
dụng acid.

- Tuyệt đối khơng được nếm, ăn, ngửi hóa chất, khơng đổ thêm nước trong quá
trình sử dụng.


- Các trường hợp khi vô ý tiếp xúc trực tiếp với acid Phosphoric cần rửa với
nước, hoặc xà phòng ấm và đưa ngay đến các cơ sở y tế gần nhất để được kiểm
tra và xử lý kịp thời.

5. Thị trường tiêu thụ Acid Phosphoric
- Với tính ứng dụng cao, acid Phosphoric là một hóa chất quan trọng, được sản
xuất và tiêu thụ trên toàn thế giới. Hàng năm có hàng triệu tấn acid Phosphoric

được tiêu thụ để sản xuất các sản phẩm phục vụ con người.
- Ở Việt Nam, acid Phosphoric là thành phần quan trọng dùng để sản xuất nhiều
loại phân bón, dược liệu, … và có nhu cầu sử dụng lớn. Tuy nhiên, vẫn còn hạn
chế về mặt thiết bị sản xuất, ngành công nghiệp sản xuất vẫn chưa đủ khả năng đáp
ứng được nhu cầu của các ngành kinh tế khác.
- Những năm gần đây, nhu cầu để xử lý kim loại giảm mỗi năm khoảng 3-5% do
vật liệu kim loại ngày càng được thay thế bằng chất dẻo, nhất là trong công nghiệp
sản xuất ôtô. Ngoài ra, lượng axit dùng để sản xuất natri tripolyphotphat cũng giảm
vì vấn đề ơ nhiễm nước thải. Trong khi đó nhu cầu axit phosphoric cho xử lý nước
và nhất là công nghiệp thực phẩm lại tăng đáng kể. Ngoài ra, lĩnh vực cũng sử
dụng nhiều axit phosphoric là sản xuất thức ăn khống cho chăn ni và lĩnh vực
sản xuất phân bón.
- Có thể lấy ví dụ ở Trung Quốc, liên quan đến sản xuất axit phosphoric phải kể
đến hơn 400 nhà máy sản xuất MAP, DAP, TSP quy mơ nhỏ từ 30 nghìn đến 60
nghìn tấn/năm và khoảng 10 nhà máy DAP cơng suất từ 150 nghìn đến 450 nghìn
tấn/năm trên cơ sở nhập khẩu cơng nghệ của các cơng ty nước ngồi.
Tỷ lệ sản phẩm (%)

EU

Nhật Bản

Mỹ

Xử lí kim loại

-

-

25

Xử lí nước

-

-

20

Sản xuất Natri Tripolyphotphat

40

32

-

Cơng nghiệp thực phẩm

-

-

15

Sản xuất thức ăn khoáng cho gia súc

22

13

-


Các ngành khác

38

55

40

Bảng : Tỷ lệ sử dụng axit phosphoric sạch tại một số quốc gia và khu vực


II. ỨNG DỤNG CỦA ACID PHOSPHORIC
1. Nông nghiệp
Trong nông nghiệp,
một lượng lớn
Phosphoric

được

Acid
sử

dụng để sản xuất phân
bón

.Acid

phosphoric

đậm đặc có thể chứa tới
70 – 75% P2O5 để sản
xuất

phân

bón,

một

ngun liệu vơ cùng
quan trọng trong việc
điều chế muối Photphat,
sản xuất phân lân, thức

Hình 1.6 .Axit photphoric là nguyên liệu không thể thiếu
trong sản xuất phân lân

ăn cho gia súc…
Đây là ứng dụng rất quan trọng đối với ngành nông nghiệp nhất là đối với một
nước nông nghiệp như Việt Nam cũng như các quốc gia trên thế giới. Nhu cầu
phân bón tồn cầu đã dẫn tới sự tăng trưởng đáng kể trong sản xuất photphat
(PO43-) trong các năm trở lại đây.
Ngoài ra acid phosphoric cịn được sử dụng để sản xuất thức ăn khống cho
chăn nuôi gia súc, gia cầm, thủy hải sản…
2. Công nghiệp

a) Nguyên liệu cho các ngành công nghiệp thực phẩm
Trong ngành công nghiệp thực phẩm, acid Phosphoric là loại phụ gia chính
cho các loại đồ ăn, đồ uống. Có thể kể đến Thực phẩm cấp ( phụ gia E388 ) được
sử dụng để tạo độ chua và hương thơm trong nước ngọt, mứt, thạch rau câu, phơ
mai,… nhưng lại có vấn đề về ảnh hưởng sức khỏe của người sử dụng. Nó cung
cấp một hương vị thơm, chua và là một hóa chất sản xuất hàng loạt, có sẵn với
giá rẻ và với số lượng lớn.


Các muối natri của acid phosphoric, natri photphat ( NaH 2PO4 ) là acid yếu
được sử dụng chung với natri bicacbonat để làm bột nở.
b) Ngành dược phẩm
Acid phosphoric được sử dụng trong dược phẩm chủ yếu là trong nha khoa. Nó
được sử dụng như một giải pháp khắc phục và thường được sử dụng để làm sạch
răng, trắng răng, loại bỏ mảng bám trên răng ở một nồng độ thích hợp ( <35%) .
Ngồi ra, acid cịn được sử dụng trong thuốc chống buồn nôn.
Trong mĩ phẩm, acid phosphoric có trong các sản phẩm làm sạch, sản phẩm
sữa tắm, nước hoa, sản phẩm chăm sóc tóc và thuốc nhuộm, làm móng, trang
điểm… và một số sản phẩm chăm sóc da khác. Và cịn được biết đến là chất kiểm
sốt nồng độ pH.
c) Gia công vật liệu xây dựng
Được sử dụng để làm nguyên liệu sản xuất gạch thủy tinh. Ngồi ra có khả
năng chồng ăn mịn, chống cháy cho các vật dụng bằng gỗ, tăng khả năng bám
dính, giúp sơn mau khô, chống gỉ cho ngành công nghiệp sơn .
Như công nghệ gia công, bảo vệ bề mặt kim loại. có thể được sử dụng như "gỉ
chuyển đổi", bằng cách ứng dụng trực tiếp cho sắt gỉ, thép công cụ, hoặc các bề
mặt. chuyển đổi màu nâu đỏ
sắt (III) oxit Fe2O3 (bị gỉ đen)
thành FePO4.
d) Chất tẩy rửa, xử lý nước

Acid phosphoric giúp ngăn
chặn thuyết trình phát triển của
nấm mốc, vi khuẩn nên được
sử dụng làm chất bảo quản.
Những năm gần đây, nhu cầu
để xử lý kim loại giảm mỗi năm khoảng 3-5% do vật liệu kim loại ngày càng
được thay thế bằng chất dẻo, nhất là trong công nghiệp sản xuất ơ tơ. Ngồi ra,
lượng acid dùng để sản xuất natri tripolyphotphat cũng giảm vì vấn để ơ nhiễm
nước thải. Trong khi đó nhu cầu sử dụng acid phosphoric cho xử lý nước, nhất là
các ngành công nghiệp thực phẩm đang tăng đáng kể.
Hình 1.7. Acid Phosphoric được dùng để sản
xuất chất tẩy


3. Một số ứng dụng khác
 Được sử dụng như một tiêu chuẩn bên ngoài photpho – 31 cộng hưởng từ hạt
nhân (NMR).
 Được sử dụng cho sắc ký lỏng hiệu năng cao .
 Như là một đại lý hóa chất oxy hóa trong sản xuất than hoạt tính.
 Như là một chất điện phân trong oxyhydrogen (HHO) của máy phát điện.
 Như là một chất trợ giúp trong công nghệ hàn.
 Được sử dụng như một chất làm mềm nước cứng.
 Sử dụng trong các giải pháp thủy canh pH thấp hơn độ pH của giải pháp dinh
dưỡng. Trong khi các loại acid có thể được sử dụng, photpho là một chất dinh
dưỡng được sử dụng bởi các nhà máy, đặc biệt là trong quá trình ra hoa mong
muốn.
 Có thể được sử dụng như một tác nhân phân tán trong chất tẩy rửa và điều trị
và chăm sóc da.
 Có thể được sử dụng như một chất phụ gia để ổn định các giải pháp dung dịch
nước có tính acid trong một phạm vi pH mong muốn và xác định…

III. GIỚI THIỆU MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC
1. Vai trò và sự cần thiết trong việc sản xuất Acid Phosphoric
Acid Phosphoric là một trong bảy loại acid quan trọng đối với ngành cơng
nghiệp, là hóa chất thương mại rất quan trọng được sản xuất với sản lượng và mức
độ tiêu thụ lớn. Do vậy khi được coi như một nhánh phát triển kinh tế quan trọng
để đánh giá sức mạnh công nghiệp của một quốc gia , đặc biệt là các nước đang
phát triển ( trong đó có Việt Nam ). Cơng nghệ sản xuất Acid Phosphoric vì thế
cũng ln được quan tâm và khơng ngừng được cải tiến, hiện đại hóa để tăng năng
suất và giảm ô nhiễm môi trường . Acid Phosphoric dùng trong kỹ thuật khơng địi
hỏi cao về nồng độ bộ thơng thường nồng độ cao nhất khoảng 85% là nồng độ cần
thiết và được sử dụng rộng rãi trong các ngành như nơng nghiệp, hóa chất thí
nghiệm hay thực phẩm.
Nhận thấy vai trò to lớn của loại acid này các nhà máy hóa chất đã và đang đầu
tư cơng nghệ áp dụng các tiến bộ của khoa học kỹ thuật vào sản xuất nhằm tạo ra
được các sản phẩm tinh khiết, chất lượng cao. Trên thế giới hiện cũng đang phát
triển một số công nghệ mới sản xuất Acid Phosphoric nhằm giảm tiêu hao nguyên
liệu và năng lượng , nâng cao chất lượng sản phẩm đáp ứng đầy đủ nhu cần cần
thiết của con người.
2. Phương pháp sản xuất acid Phosphoric phổ biến
Nhìn chung, mỗi nhà máy sản xuất có một quy trình cơng nghệ khơng giống
nhau, nhưng phương pháp sản xuất có nét tương đồng. Qua q trình tìm hiểu tài
liệu, nhóm em xin phép được đề cập 2 phương pháp sản xuất acid phosphoric phổ
biến sau :
 - Phương pháp ướt (phương pháp trao đổi): Quặng Apatit phản ứng với acid
sunfuric.
 - Phương pháp khô (phương pháp nhiệt): Quặng canxi photphát cùng với
SiO2 được gia nhiệt trong lò điện, dùng than khử thành photpho sau đó được ơxi
hố và hiđrát hố.

Mỗi phương pháp đều có ưu nhược điểm tùy vào mục đích sử dụng sản phẩm
đầu ra. Trên thị trường tồn tại các loại acid phosphoric trong công nghiệp khác


nhau, theo quy định, tên các loại acid phosphoric được quy ước kèm theo một số
thông số kĩ thuật cần thiết. Cụ thể đươc thể hiện ở bảng sau:
Tỷ trọng

Loại acid

(kg/l)

Nồng độ (%)

Nồng độ

Hàm lượng

(mol/l)

(% P2O5)

ACID SẢN XUẤT THEO PHƯƠNG PHÁP NHIỆT
1,335

50,0

6,82

36,20

1,572

72,0

12,02

54,30

1,682

85,0

14,56

61,60

Đậm đặc

1,870

100,0

19,80

72,40

Siêu đậm đặc

1,920*

105,5

20,57

76,0

Thường

ACID SẢN XUẤT THEO PHƯƠNG PHÁP TRAO ĐỔI
Thơ, lỗng

1,32 – 1,34

38,0 – 44,0

5,1 – 6,0

27,0 – 32,0

Thô sau khi cô

1,56 – 1,71

69,0 – 76,0

11,0 – 13,3

50,0 – 55,0

Thương phẩm

1,70 – 1,78

72,0 – 77,0

12,5 – 14,0

52,0 – 56,0

Đặc

1,95 – 2,05*

94,0 – 98,0

18,0 – 20,0

68,0 – 71,0

*Đo ở nhiệt độ 270C
Với đề tài được giao : “ Sản xuất acdi Phosphoric từ quặng Apatit”. Với nguyên
liệu đầu vào là Quặng Apatit, nhóm em sẽ đi sâu tìm hiểu vào phương pháp ướt,
và tóm tắt nhanh về phương pháp khô, coi đây là một phương pháp tham khảo.


CHƯƠNG II : SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC TỪ QUẶNG
APATIT
I. TỔNG QUAN VỀ QUẶNG APATIT
1. Giới thiệu về quặng apatit

Ở Việt Nam khi nói đến quặng apatit thì thường tập chung chủ yếu ở Lào Cai.
Quặng apatit Lào Cai là một loại quặng photphat có nguồn gốc trầm tích biển,
thành hệ tiền Cambri chịu các tác dụng biến chất và phong hóa. Các khống vật
phosphat trong đá trầm tích khơng nằm ở dạng vô định như ta tưởng trước đây
mà nằm ở dạng ẩn tinh, phần lớn chúng biến đổi giữa floroapatit Ca 5(PO4)6F2 và
cacbonat-floroapatit Ca5([PO4],[CO3])3F. Hầu hết các photphat trầm tích dưới
dạng cacbonat-floroapatit gọi là francolit. Dưới tác dụng của biến chất, các đá phi
quặng biến thành đá phiến, đolomit và quaczit, còn đá chứa photphat chuyển
thành quặng apatit-đolomit.

Hình 2.1 Quặng Apatit trong tự nhiên

Quặng apatit Lào

Cai là loại quặng

thuộc thành hệ metan photphorit (apatitđolomit), là thành hệ chủ yếu được sử
dụng cho ngành cơng nghiệp sản xuất phân bón chứa lân (chứa photpho) ở nước
ta. Về trữ lượng thuộc thành hệ apatit-đolomit có trữ lượng lớn nhất phân bố dọc
theo bờ phải sông Hồng thuộc địa phận Lào Cai.
2. Thành phần quặng Apatit
Apatit là một nhóm các khống vật phosphat bao gồm: Hidroxylapatit,
Fluorroapatit và Cloroapatit. Các loại apatit này được gọi tên do trong thành phần


tinh thể của chúng có chứa các ion OH- , F- và Cl -. Công thức chung của apatit
thường được biểu diễn theo dạng nhóm thành phần như Ca5(PO4)(OH, F, Cl),
hoặc theo cơng thức riêng của từng loại khống vật riêng lẻ tương ứng như:
Ca5(PO4)3(OH), Ca5(PO4)3F và Ca5(PO4)3Cl.
3. Phân loại quặng Apatit

a) Phân loại theo thạch học
Căn cứ vào đặc điểm thạch học người ta chia toàn bộ khu mỏ apatit Lào Cai
thành 8 tầng, ký hiệu từ dưới lên trên (theo mặt cắt địa chất) là tầng cốc san (KS)
KS1, KS2... KS7, KS8. Trong đó, quặng apatit nằm ở các tầng KS4, KS5, KS6
và KS7.
b) Phân loại theo thành phần vật chất
Dựa vào sự hình thành và thành phần vật chất, khoáng sản apatit Lào Cai
phân chia ra 4 loại quặng khác nhau:
-

Quặng loại I: Là loại quặng aptatit hầu như đơn khống thuộc phần phong
hóa của tầng quặng KS5 hàm lượng P2O5 chiếm khoảng từ 28 - 40%.

-

Quặng loại II: Là quặng apatit-đolomit thuộc phần chưa phong hóa của
tầng quặng KS5 hàm lượng P2O5 chiếm khoảng 18 - 25%.

-

Quặng loại III: Là quặng apatit-thạch anh thuộc phần phong hóa của tầng
dưới quặng KS4 và trên quặng KS6 và KS7, hàm lượng P2O5 chiếm
khoảng từ 12 - 20%, trung bình khoảng 15%.

-

Quặng loại IV: Là quặng apatit-thạch anh-đolomit thuộc phần chưa phong
hóa của tầng dưới quặng KS4 và các tầng trên quặng KS6 và KS7 hàm
lượng P2O5 khoảng 8 - 10%.

c) Phân loại theo thành phần hóa học
Theo các tài liệu địa chất, trong các loại quặng apatit loại 1, loại 2 cũng như
loại 3, khoáng vật apatit đều có cấu trúc Ca5F(PO4)3 thuộc loại fluoapatit. Kết quả
phân tích thành phần hóa học các mẫu quặng 3 ở các cốc san thu được giá trị như
sau: khoảng 42,26% P2O5; 3,78% F và 50% CaO.


4. Ứng dụng của quặng Apatit
- Quặng apatit vẫn chủ yếu được khai thác làm nguyên liệu cho các nhà
máy sản xuất phân bón có nguồn gốc lân (photpho) như: phân lân nung chảy Văn
Điển; phân lân của Nhà máy Supe phốt phát Lâm Thao; phân bón Bình Điền;
phân NPK Hoàng Liên, phân lân và phân NPK Lào Cai.
- Do có cấu trúc hóa học đặc biệt nên apatit có khả năng cố định các kim
loại nặng, đồng thời cũng có tác dụng xử lý một phần chất hữu cơ, vi khuẩn
coliform, chất rắn lơ lửng trong nước thải. Một số tài liệu cịn cho rằng, apatit có
khả năng xử lý những kim loại nặng nào mà tích số tan của kim loại đó với PO4 3 nhỏ hơn tích số tan của Ca3(PO4)2.
- Trong quá trình xử lý nước thải, đồng thời với quá trình xử lý kim loại
nặng và các thành phần khác một lượng nhỏ các hợp chất của photpho cũng được
hòa tan vào trong nước, cung cấp thêm dinh dưỡng cho thực vật thủy sinh và vi
sinh vật, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình xử lý sinh học sau này. Do đó,
trong nhiều cơng nghệ xử lý nước thải (như nước thải chế biến gỗ), apatit được sử
dụng như là một nguồn dinh dưỡng thay thế cho axit photphoric để tạo tỷ lệ thích
hợp với cacbon và nitơ. Người ta có thể sử dụng apatit trong công nghệ xử lý
nước thải chứa kim loại nặng trong các ngành mạ điện, cơ khí, luyện kim và chế
biến gỗ.
- Dùng apatit để xử lý kim loại nặng trong đất là phương pháp mới đã
được ứng dụng ở nhiều nước trên thế giới.
- Nước ta có mỏ apatit với trữ lượng lớn trong đó loại quặng apatit có hàm
lượng P2O5 thấp khơng sử dụng cho sản xuất phân bón nhưng lại có nhiều triển
vọng được sử dụng làm vật liệu xử lý môi trường.

II. QUY TRÌNH SẢN XUẤT ACID PHOSPHORIC TỪ QUẶNG APATIT
BẰNG PHƯƠNG PHÁP ƯỚT
1. Nguyên liệu sản xuất
Nguyên liệu và hóa chất chính để sản xuất acid phosphoric gồm:
– Quặng photphat (apatit) 32% P2O5.
– Acid sunfuric nồng độ 98%.
– Tiêu hao nguyên liệu riêng là 1,33 tấn photphat/1 tấn H 3PO4 và 1,19 tấn acid
sunfuric/1 tấn H3PO4.
2. Quy trình sản xuất
Trong phương pháp ướt, acid phosphoric được tạo ra do phản ứng giữa acid
sunfuric (H2SO4) với quặng photphot. Quặng photphat được sấy, nghiền cho tới
khi 60 – 70% hạt quặng có kích thước nhỏ hơn 0,15 mm và sau đó được đưa liên
tục vào thiết bị phản ứng với acid sunfuric. Phản ứng còn kết hợp canxi trong
quặng photphat với sunfat tạo thành CaSO4, hay được gọi là gíp. Gíp được tách ra
khỏi dung dịch phản ứng bằng cách lọc.
Phản ứng hóa học chính để sản xuất acid phosphoric bằng phương pháp ướt
như sau:
Ca3(PO4)2 + 3H2SO4  3CaSO4 + 2H3PO4
Ca5(PO4)3F + 5H2SO4  5CaSO4 + 3H3PO4 + HF
Acid phosphoric được thu hồi bằng cách lọc và tách ra khỏi bùn tạo thành khi
phân huỷ hai lần quặng photphat bằng acid sunfuric.
Trong q trình phản ứng, tinh thể gíp bị kết tủa và được tách ra khỏi acid
bằng quá trình lọc. Các tinh thể tách ra cần phải được rửa để thu hồi được ít nhất
99% acid phosphoric trong phần lọc được.
Như vậy, q trình sản xuất acid phosphoric gồm 5 cơng đoạn như sau:
a) Công đoạn 1: Chuẩn bị bùn quặng
Quặng photphat được đưa tới hố bùn quặng qua cân cấp lượng không đổi.
Trong hố quặng photphat được trộn với nước để chuẩn bị bùn quặng với nồng độ

gần 40% trọng lượng.


b) Công đoạn 2 : Phân hủy quặng
Bùn quặng photphat được cấp vào thiết bị trộn sơ bộ và bị phân huỷ một
phần bằng acid sunfuric được pha loãng từ 98% đến 70 – 80% trọng lượng và
acid phosphoric được lấy ra từ công lọc.
Bùn photphat trên và hỗn hợp acid được chuyển tới thiết bị phân huỷ
photphat để tạo thành acid phosphoric.
Điều khiển nhiệt độ bằng cách thổi không khí trên bề mặt bùn qua một số
ống và giữ nhiệt độ khoảng 850 – 900 0C, như vậy khoảng 80% lượng photphat
được phân huỷ.
Acid phosphoric ngậm 0,5 nước (H3PO4.0,5H2O) là chất không ổn định được
đưa vào công đoạn tiếp theo.
c) Công đoạn 3 : Lọc quặng
Ra khỏi thiết bị kết tinh, bùn được bơm đi lọc gồm 3 bậc lọc để tách bùn ra
khỏi acid phosphoric lẫn CaSO4.2H2O.
Acid sản phẩm là nước lọc 1 của bậc lọc thứ nhất được chứa trong dụng cụ
chứa và chuyển đến công đoạn cô đặc. Nước lọc thứ 2 là acid nồng độ trung bình
được chuyển tới cơng đoạn phân huỷ được gọi là acid tuần hoàn. Sau khi điều
chỉnh nồng độ P2O5 bằng cách thêm vào một lượng nhỏ của nước lọc lần 1.
Nước lọc 3 từ bậc lọc thứ 3 được dùng làm nước rửa cho bậc lọc thứ 2. Nước
lọc thứ 4 được dùng làm nước rửa cho bậc lọc thứ 3. Sau đó. Bã CaSO 4.2H2O ướt
được chuyển tới bãi chất đóng gíp ở bên ngồi băng tải.
d) Cơng đoạn 4 : Cơ đặc acid
Thiết bị có 2 cụm cơ đặc gồm buồng bốc hơi, bơm tuần hồn cho buồng bốc
hơi, bộ phận gia nhiệt và máy chân không.
Acid tuần hồn được gia nhiệt khi nó qua các ống của bộ phận gia nhiệt và
nước trong acid được bay hơi trong buồng bốc hơi.
Nguồn nhiệt cung cấp cho bộ phận gia nhiệt là hơi nước áp suất thấp, buồng

bốc hơi duy trì chân khơng nhờ hệ thống tạo chân khơng. Khí flo bay hơi trong
khi cơ đặc được thu hồi ở dạng dung dịch 20% H 2SiF6 (theo trọng lượng ) bằng
tháp rửa khí flo.
Sản phẩm acid thu được thường có nồng độ từ 40 – 50% (nếu gạn lọc thì chỉ
thu được acid có nồng độ khoảng 30%) và chứa nhiều tạp chất.


Quá trình sản xuất acid phosphoric sẽ phát sinh chất thải gồm khí thải và chất
thải rắn. Khí thải chủ yếu là HF và SiF 4 (trong khí thải thu được từ phản ứng giữa
H2SO4 với quặng apatit để tạo H3PO4) với hàm lượng chất khí thải: Hàm lượng
Flo ≤ 49mg/Nm3.
Sản phẩm phụ từ công nghệ này là thạch cao ( bã gíp CaSO 4.2H2O) và đặc
biệt nếu nguyên liệu đầu vào là apatit thì cịn thu được một lượng lớn acid
flohyđric (HF) hoặc muối natri hexaflorosilicat (Na2SiF6).
Nếu sử dụng làm phân bón thì sản phẩm acid hầu như khơng cần phải xử lý
gì tiếp theo ngồi việc cơ đặc để đạt nồng độ yêu cầu. Trong bã thải sau khi rửa,
rửa gạn và lọc rửa, vẫn ln ln cịn chứa một lượng acid phosphoric khoảng từ
0,7 – 1,5%.
3. Ưu nhược điểm của Phương pháp ướt
Ưu điểm:
– Nhiệt độ cung cấp cho phản ứng không quá lớn (850 – 9000C).
– Hiệu suất thu hồi photpho cao khoảng 98%.
Nhược điểm:
– Nồng độ acid sản phẩm không cao, độ tinh khiết không lớn.
– Nguyên liệu đầu vào khá lớn (1,33 tấn photphat và 1,19 tấn H2SO4 sản xuất
được 1 tấn acid H3PO4).
– Thải ra lượng khí HF độc hại (Hàm lượng Flo ≤ 49mg/Nm3).


5. Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất Acid Phosphoric

Hình 2.2. Sơ đồ khối dây chuyền sản xuất Acid Phosphoric


6. Phân loại các quy trình cơng nghệ sản xuất axit phosphoric theo phương pháp
ướt:
Trên thực tế, có 4 quy trình cơng nghệ sản xuất trong cơng nghệ sản xuất
bằng phương pháp ướt và được phân loại theo phương thức (cách) tạo thành tinh
thể canxi -unfat (bã Gips) trong quá trình hịa tan bằng axit: CaSO4 khan,
CaSO4.1/2H2O, CaSO4. 2H2O. Bốn quy trình cơng nghệ đó là:
-

Dihydrate process 

-

Hemihydrate process

-

Di-Hemihydrate process

-

Hemi-Dihydrate process

a) Quy trình Dihydrat

Quy trình cơng nghệ Dihydrat được sử dụng rộng rãi nhất trong thế kỷ XX.
Phần lớn phân bón photphat cao cấp đều sử dụng axit phosphoric sản xuất ra từ

các nhà máy sử dụng công nghệ này. Quy trình cơng nghệ sản xuất axit
phosphoric sử dụng phương pháp này gồm các bước chính: Nghiền, phản ứng,
lọc và cơ đặc dung dịch. Các bước này được thể hiện trong sơ đồ sau:
Công đoạn nghiền: Một số loại quặng không cần nghiền khi phân bố kích
thước hạt phù hợp (khoảng 60 - 70% kích thước hạt nhỏ hơn 150 µm). Còn lại,
hầu hết các loại quặng apatit phải được nghiền mịn trước khi đưa vào phản ứng.


Cơng đoạn phản ứng: Quặng apatit được chuyển hóa khi phản ứng với axit
sunfuric đặc để tạo thành axit phosphoric và bã Gips. Quá trình phản ứng phải
được khuấy liên tục bằng thiết bị có cánh khuấy. Điều kiện vận hành của hệ
thống để tạo ra sự kết tinh dehydrat nồng độ P2O5; khoảng 25 - 29% và nhiệt độ
khoảng 70 - 80°C. Nhiệt độ được điều khiển bằng cách chuyển lượng huyền phù
qua thiết bị làm mát, tại đó khí được khử làm cho q trình bơm dễ dàng hơn.
Nhiệt độ cũng có thể điều khiển bằng thiết bị làm mát tuần hồn khơng khí.
Cơng đoạn lọc: Để tách axit phosphoric ra khỏi các tinh thể canxi sunfat,
quá trình lọc trung gian phải được thực hiện qua nhiều bước khác nhau và thực
hiện liên tục. Giai đoạn lọc ban đầu phải có ít nhất 2 cơng đoạn rửa để đảm bảo
thu hồi lượng P2O5 hoàn toàn từ trong bã Gips. Để đạt được nồng độ dung dịch
P2O5 và mức độ tách theo yêu cầu, hệ thống lọc phải sử dụng các bơm chân
không để tạo ra áp lực chân khơng nhằm tạo động lực lớn cho q trình lọc. Các
phần lỏng còn lại được loại bỏ ra khỏi bã lọc bằng phương pháp rửa. Bã sau khi
lọc sẽ được thải ra ngoài, vải lọc phải được rửa lại nếu như hàm lượng rắn bám
lên quá mức cho phép. Nếu khơng thực hiện q trình rửa vải lọc thì hiệu quả của
quá trình lọc sẽ giảm đi một cách đáng kể. Sản phẩm sau lọc và sau rửa phải
được giữ tách biệt nhau và phải tách ở điều kiện áp suất chân khơng sau đó
chuyển về áp suất thường, các sản phẩm thu được sẽ được hồi lưu lại dây chuyền.
Cơng đoạn cơ đặc: Có thể sử dụng kết hợp nhiều thiết bị bốc hơi với nhau,
dòng axit đi qua từng thiết bị sẽ được cô đặc đến nồng độ yêu cầu. Hầu hết các
thiết bị bay hơi đều được chế tạo theo kiểu chu trình làm việc tuần hồn cưỡng

bức dịng vật liệu vào. Tồn bộ thiết bị bay hơi trong hệ thống thường được thiết
kế đơn lẻ để dễ dàng thay thế vì axit phosphoric ăn mịn thiết bị lớn và nhiệt độ
sôi cao.
*) Những ưu điểm của quy trình Dihydrat:
- Quy trình Dihydrat có thể dùng được nhiều loại quặng photphat với phẩm
cấ khác nhau.
- Quặng có thể nghiền khô hoặc ướt hay nạp liệu ở dạng bùn.
- Dùng axit sunfuric loãng (khoảng 70%).
- Dễ vận hành.
- Hiệu suất thu hồi P2O5 cao (thường trong giới hạn 93,5–96,5%). 


- Tiêu hao nước sạch ít.
- Mức độ ăn mịn thiết bị thấp.
*) Những nhược điểm của quy trình Dihydrat:
- Tiêu hao nước làm lạnh nhiều hơn.
- Tiêu hao hơi nước cao hơn, do phải dùng để cô đặc axit.
- Chất lượng photphogyp phụ thuộc vào quặng photphat.
b) Quy trình Hemihydrat (HH)

Quá trình một giai đoạn tạo ra bùn, khi lọc được axit sản phẩm 40 - 48%
P2O5, dòng tuần hồn được nạp vào thiết bị phản ứng, cịn bã hemihydrat được
rửa. u cầu chính của q trình này là các hệ số tiêu hao thấp, như tiêu hao hơi,
điện, nướ thấp.
Quá trình hemi lần đầu tiên được phát triển vào những năm 1960 bởi công ty
Anh Fisons sau này là một bộ phận của Norsk-Hydro và bây giờ là Yara. Hiện có
q trình được cấp bản quyền cơng nghệ trên thế giới là Norsk–Hydro, OxyHH
và Prayon PH11 sản xuất axit 46% P2O5 (P là Prayon, H là Hemihydrat, 11 là một
giai đoạn). Prayon cũng đưa ra quá trình HH hai giai đoạn ký hiệu là PH12 có 2
lần 1 bã HH, hàm lượng sunfat trong pha lỏng cao để giải phóng P 2O5, cộng kết

trong canxi sunfat.
Dây chuyền cơng nghệ này cũng tương tự dây chuyền Dihydrat, tuy nhiên có
sự khác biệt: