亞磷酸鈉的生產(chǎn)工藝及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究

金 鑫，徐志高，2*，池汝安，黃曉慧，徐源來，周 芳

1.綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205；2.中南民族大學(xué)催化材料科學(xué)國家民委-教育部暨湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 天水 741025

亞磷酸鈉的生產(chǎn)工藝及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究

金 鑫1，徐志高1，2*，池汝安1，黃曉慧3，徐源來1，周 芳1

1.綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（武漢工程大學(xué)），湖北 武漢 430205；2.中南民族大學(xué)催化材料科學(xué)國家民委-教育部暨湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430074；3.甘肅工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院化工學(xué)院，甘肅 天水 741025

采用酸堿中和法制備亞磷酸鈉并利用間歇?jiǎng)討B(tài)法對(duì)亞磷酸鈉的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究.借助電位滴定法分析亞磷酸中和過程的躍遷點(diǎn)，確定產(chǎn)物主要為亞磷酸氫二鈉.探討了中和反應(yīng)溫度、摩爾比和亞磷酸濃度等因素對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響.利用激光粒度分析儀測(cè)試產(chǎn)品的粒度體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)粒數(shù)衡算和質(zhì)量衡算關(guān)系經(jīng)矩量變換法回歸得到動(dòng)力學(xué)方程，并探索影響產(chǎn)物晶體粒徑的因素.結(jié)果表明：亞磷酸氫二鈉生成的優(yōu)化工藝為控制亞磷酸和氫氧化鈉的摩爾比為1∶2，亞磷酸的濃度應(yīng)控制在8.54 mol∕L以下，反應(yīng)溫度對(duì)其影響很小；亞磷酸和氫氧化鈉很容易形成均勻細(xì)小的亞磷酸氫二鈉，當(dāng)粒度大于15 μm后，其晶體的生長(zhǎng)與粒度無關(guān)，獲得了亞磷酸氫二鈉成核速率方程和成長(zhǎng)速率方程；在亞磷酸氫二鈉溶液結(jié)晶過程中，在介穩(wěn)區(qū)的中部偏超溶解度曲線的位置加入少量粗晶徑的晶種，控制蒸發(fā)溫度在150℃左右，在200 r∕min攪拌速度下進(jìn)行結(jié)晶，可以得到晶粒較大的亞磷酸氫二鈉晶體.

亞磷酸鈉；中和法；間歇?jiǎng)討B(tài)法；結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

亞磷酸鈉和次磷酸鈉都是磷酸鹽的新產(chǎn)品，在化工和材料領(lǐng)域應(yīng)用較廣，主要用做還原劑.次磷酸鈉的還原性比亞磷酸鈉強(qiáng)，將金、銀、汞、鎳、鉻、鈷等金屬鹽還原成相應(yīng)的金屬［1-2］，可作為抗氧化劑用于紡織物整理及醫(yī)藥等行業(yè)［3］，還因具有保鮮及抑菌作用，可作為食品添加劑使用［4］.除此之外，次磷酸鈉還可作為催化劑，加快化學(xué)反應(yīng)速率［5］.但由于次磷酸鈉不穩(wěn)定，加熱易爆炸，受潮或加熱后易分解產(chǎn)生一種易燃并且劇毒的氣體PH3，導(dǎo)致應(yīng)用過程中存在一些危險(xiǎn)；另外，有一些反應(yīng)需要弱還原性的還原劑，限制其應(yīng)用.而亞磷酸鈉的還原性較弱且較穩(wěn)定，在一定程度上取代還原劑次磷酸鈉，具有更好的穩(wěn)定性和安全性.

亞磷酸鈉鹽主要是以亞磷酸氫二鈉（Na2HPO3·5H2O）和 亞 磷 酸 二 氫 鈉（NaH2PO3·2.5H2O）存在，兩者均是結(jié)晶水合物.其主要用途是用作還原劑，可以將金屬鹽還原為相應(yīng)的金屬，還可以用作化學(xué)試劑，用來配制溶液或參加反應(yīng)［6］.除此之外，亞磷酸鹽在微孔材料方面的應(yīng)用也是當(dāng)今研究的熱點(diǎn).亞磷酸鹽以其HPO3“假四面體”取代PO4四面體，使得骨架中“陰離子”部分的對(duì)稱性和電荷降低，從而使其結(jié)構(gòu)發(fā)生較大變化，能夠產(chǎn)生許多結(jié)構(gòu)新穎的微孔亞磷酸鹽［7］.

國內(nèi)外對(duì)于亞磷酸鈉生產(chǎn)的相關(guān)研究較少，主要采用復(fù)分解反應(yīng)從次磷酸鈉的工業(yè)廢渣中回收.王小妮［6］采用復(fù)分解法研究了從泥磷回收亞磷酸鈉的工藝，所得產(chǎn)品純度較低，且產(chǎn)品中的次磷酸鈉和亞磷酸鈉難以分離.王惠平等［8］用復(fù)分解法從次磷酸鈉工業(yè)廢渣中制得亞磷酸鈉，然后用離子交換樹脂法制得高純亞磷酸，生產(chǎn)成本較高且操作步驟繁瑣.

由于亞磷酸鈉鹽一般均需要從溶液中結(jié)晶析出，對(duì)其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)的研究顯得尤為重要.結(jié)晶動(dòng)力學(xué)測(cè)試的方法主要有連續(xù)穩(wěn)態(tài)法、連續(xù)動(dòng)態(tài)法和間歇?jiǎng)討B(tài)法.其中連續(xù)穩(wěn)態(tài)法［9］數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單，但偏差大、測(cè)試周期長(zhǎng)、工作量大和操作困難；連續(xù)動(dòng)態(tài)法［10］偏差小，但測(cè)試周期很長(zhǎng)；而間歇?jiǎng)討B(tài)法［11］測(cè)試周期短、操作簡(jiǎn)單，在實(shí)際的工業(yè)結(jié)晶過程中應(yīng)用較廣.何興學(xué)等［12］采用間歇?jiǎng)討B(tài)法獲得了醋酸鈉的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程；黨樂平等［13］采用間歇?jiǎng)討B(tài)法得到了苊在乙醇溶液中的動(dòng)力學(xué)方程；張迪［14］等用間歇?jiǎng)討B(tài)法回歸得到氯氧化鉍在水中的結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程.而對(duì)通過中和反應(yīng)直接制備亞磷酸鈉并研究其結(jié)晶動(dòng)力學(xué)較少.

本文以氫氧化鈉和亞磷酸為原料，采用中和法制備亞磷酸鈉，對(duì)其結(jié)晶工藝及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)進(jìn)行研究，以獲得亞磷酸鈉的優(yōu)化工藝及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)方程，為工業(yè)化生產(chǎn)提供理論指導(dǎo).

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

亞磷酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)；氫氧化鈉，天津博迪化工股份有限公司生產(chǎn)；亞磷酸氫二鈉五水合物，阿拉丁試劑生產(chǎn)；碘化鉀，阿拉丁試劑生產(chǎn)；碘，阿拉丁試劑生產(chǎn)；硫代硫酸鈉，冰乙酸，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司生產(chǎn)，以上藥品均為分析純.

1.2 儀器及裝置

表1 主要實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備Tab.1 Main experimental instruments and equipment

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 中和反應(yīng) 將不同摩爾比的亞磷酸和氫氧化鈉溶液，在燒杯中混合，并不斷攪拌，反應(yīng)一定時(shí)間后測(cè)定反應(yīng)液的pH，然后蒸發(fā)結(jié)晶、過濾、洗滌、干燥和稱重，計(jì)算亞磷酸鈉的產(chǎn)率并根據(jù)國標(biāo)方法 HG ∕T3253—2000［15］測(cè)定其純度.

1.3.2 結(jié)晶動(dòng)力學(xué) 向三口燒瓶中加入一定量的亞磷酸氫二鈉和水，在一定的速度下攪拌，打開恒溫系統(tǒng)，升溫到100℃，然后自然降溫一段時(shí)間后，加入定量晶種，每隔30 min用移液管取樣，然后進(jìn)行過濾、干燥和稱重，并計(jì)算其懸浮密度，其粒度分布用粒度分析儀測(cè)定（見圖1）.

懸浮密度計(jì)算公式如下：

式中m1，m2分別指的是漏斗的質(zhì)量和干燥后帶有濾餅的漏斗的總質(zhì)量；V指的是所取晶漿體積；MT為晶漿懸浮密度，kg∕m3.

產(chǎn)品粒數(shù)密度：

式中：Dωi為體積分?jǐn)?shù)；kv為晶體體積形狀因子；為測(cè)量相鄰?fù)ǖ莱叽绲钠骄?；D為測(cè)量相鄰?fù)ǖ缹挾龋沪褳榫w密度.

圖1 亞磷酸鈉結(jié)晶動(dòng)力學(xué)實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.1 Experimental setup for crystallization kinetics of sodium phosphite

2 結(jié)果與分析

2.1 電位滴定分析

以0.1 mol∕L的氫氧化鈉標(biāo)準(zhǔn)滴定液為滴定劑，對(duì)20.0 mL 0.1 mol∕L的亞磷酸進(jìn)行電位滴定，結(jié)果見圖2所示.

圖2 亞磷酸的電位滴定分析（插圖：一階微商圖）Fig.2 Potentionmetric titration analysis of phosphoite acid（Inset：first order derivative diagram）

亞磷酸的電位滴定時(shí)存在兩個(gè)拐點(diǎn)，對(duì)圖2進(jìn)行一階微商，如圖2中小圖所示，可以看出亞磷酸的電位滴定存在兩個(gè)非常明顯的躍遷點(diǎn).電位躍遷點(diǎn)將電位曲線分成三段，分別代表了亞磷酸電離出氫離子并被氫氧化鈉中和的三個(gè)過程，即整個(gè)滴定過程亞磷酸有H3PO3→H2PO3-，H2PO3-→HPO32-，HPO32-→PO33-三個(gè)變化階段，且在pH 6～8間主要是亞磷酸氫二鈉.

2.2 溫度對(duì)中和反應(yīng)的影響

以 1.0 mol∕L H3PO3和 1.0 mol∕L NaOH 溶 液為原料進(jìn)行中和反應(yīng)，控制反應(yīng)的摩爾比n（H3PO3）∶n（NaOH）分別為0.75、0.8、1.0、1.2、1.25、1.4、1.5、1.6、1.8、2.0和2.5，在不同的溫度下混合反應(yīng)1 h，然后測(cè)其pH（圖3）.

圖3 溫度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響Fig.3 Effects of temperature on reaction products

可以看出不同溫度下的pH曲線基本穩(wěn)定的重合于一條曲線上，說明溫度對(duì)中和反應(yīng)的影響微小，可以忽略不計(jì).

2.3 摩爾比對(duì)亞磷酸鈉純度的影響

以 1.0 mol∕L H3PO3和 1.0 mol∕L NaOH 溶 液 為原料，控制反應(yīng)的摩爾比n（H3PO3）∶n（NaOH）分別為 0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0和 2.2進(jìn)行中和反應(yīng)，反應(yīng)后測(cè)結(jié)晶產(chǎn)品的產(chǎn)率和純度（圖4）.

隨著摩爾比的增加，產(chǎn)率和純度逐漸增加.但當(dāng)摩爾比超過1∶2后，其產(chǎn)率及純度開始出現(xiàn)下降，可能是由于氫氧化鈉含量過多使得過量的氫氧化鈉從溶液中沉淀出來，從而影響到亞磷酸鈉鹽產(chǎn)物的質(zhì)量.

2.4 亞磷酸濃度對(duì)于反應(yīng)產(chǎn)物的影響

配制濃度為 7.32 mol∕L、8.54 mol∕L、9.75 mol∕L和 10.96 mol∕L 的 H3PO3溶 液以及 13.00 mol∕L 的NaOH 溶液，分別按摩爾比 1∶1.8、1∶1.85、1∶1.9、1∶1.95和1∶2.0的溶液混合，然后測(cè)其pH（見圖5）.

圖4 摩爾比對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響Fig.4 Effects of molar ratio on reaction products

圖5 酸濃度對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物的影響Fig.5 Effects of acid concentration on reaction products

當(dāng)摩爾比在1∶1.95以下時(shí)，所得產(chǎn)品的pH在7～8，根據(jù)圖2結(jié)果可知主要為亞磷酸氫二鈉；當(dāng)摩爾比超過1∶1.95且亞磷酸濃度超過9.75 mol∕L后，產(chǎn)品中有過量的氫氧化鈉會(huì)析出晶體，影響最終產(chǎn)品純度.因此亞磷酸濃度最好控制在8.54 mol∕L以下.

2.5 亞磷酸氫二鈉粒度分析

采用W2308c激光粒度分析儀測(cè)定所制得產(chǎn)品的粒度體積分?jǐn)?shù)，根據(jù)式（2）計(jì)算粒數(shù)密度分布，結(jié)果如圖6所示.

可以看出，當(dāng)亞磷酸氫二鈉粒度大于15 μm時(shí)，粒度密度分布的自然對(duì)數(shù)ln（n）與粒徑d成良好的線性關(guān)系，說明在該粒數(shù)范圍內(nèi)亞磷酸氫二鈉晶體的生長(zhǎng)與粒度無關(guān)；當(dāng)粒度小于15 μm時(shí)，ln（n）-d也成良好的線性關(guān)系；而在粒度為 15 μm時(shí)，粒數(shù)密度分布有一個(gè)拐點(diǎn)，說明亞磷酸氫二鈉很容易形成非常均勻、細(xì)小的顆粒，然后再相互結(jié)合而長(zhǎng)大，沒有長(zhǎng)不大的晶體，與常規(guī)的結(jié)晶過程略有不同［16］.

圖6 亞磷酸氫二鈉粒數(shù)密度分布Fig.6 Population density distributions of disodium hydrogen phosphite

2.6 亞磷酸氫二鈉結(jié)晶動(dòng)力學(xué)

對(duì)實(shí)驗(yàn)得到的樣品進(jìn)行分析，獲得不同溫度下的溶液過飽和度S、溶液的懸浮密度MT以及樣品的粒度分布，根據(jù)粒數(shù)衡算和質(zhì)量衡算關(guān)系經(jīng)矩量變換法計(jì)算，獲得相應(yīng)時(shí)間間隔下的成核速率B0，經(jīng)回歸得到反應(yīng)結(jié)晶的成長(zhǎng)速率方程G：

2.7 影響晶體粒徑的因素討論

2.7.1 晶種粒度對(duì)產(chǎn)品粒度的影響 在結(jié)晶的過程中，晶體產(chǎn)品的粒度分布是考察產(chǎn)品質(zhì)量的一個(gè)重要因素，晶體產(chǎn)品的主粒度大且分布集中可以使得簡(jiǎn)化過濾操作.試驗(yàn)中，考察了未加入晶種以及加入不同粒徑晶種對(duì)產(chǎn)品粒度分布的影響，如圖7所示.

圖7 晶種對(duì)產(chǎn)品粒徑的影響Fig.7 Effects of added seed on product particle sizes

加入晶種后產(chǎn)品粒徑得到了明顯的增大，且加入粒度大的晶種所得產(chǎn)品粒度也較大，加入粒度小的晶種所得產(chǎn)品粒度也較小.其原因可能是晶種的粒度越小則表面積就越大，晶體的可生長(zhǎng)點(diǎn)就越多，導(dǎo)致晶體的生長(zhǎng)不夠集中，產(chǎn)品的粒度偏小且不集中.因此，加入粒度大的晶種有利于獲得粗顆粒的產(chǎn)品.

2.7.2 晶種加入時(shí)間對(duì)產(chǎn)品粒度的影響 確定了加入晶種的條件后，晶種的加入時(shí)機(jī)也是需要考慮的因素.試驗(yàn)中，考察了加入晶種的時(shí)機(jī)對(duì)產(chǎn)品粒度的影響（見圖8）.

圖8 晶種加入時(shí)機(jī)對(duì)產(chǎn)品粒徑的影響Fig.8 Effects of seeding time on product particle sizes

選擇在介穩(wěn)區(qū)中a和b兩個(gè)點(diǎn)時(shí)分別加入晶種，其對(duì)產(chǎn)品粒度的影響見小圖，在靠近溶解度曲線的b點(diǎn)時(shí)加入晶種，晶種的加入對(duì)于產(chǎn)品的粒度影響很小，其原因可能是此時(shí)加入的晶種會(huì)部分溶解到溶液中；而在靠近超溶解度曲線的a點(diǎn)時(shí)加入晶種，可使產(chǎn)品的粒度變大.因此選擇晶種加入的時(shí)機(jī)應(yīng)在介穩(wěn)區(qū)的中部偏超溶解度曲線的位置.2.7.3 攪拌速率對(duì)產(chǎn)品粒度的影響 在結(jié)晶的過程中，流體條件對(duì)于粒子的成核與生長(zhǎng)有重要的影響，而攪拌速率又是影響流體力學(xué)的重要參數(shù).試驗(yàn)中，考察了不同攪拌速率對(duì)產(chǎn)品粒度分布的影響（見圖9）.

當(dāng)轉(zhuǎn)速為425 r∕min以上時(shí)，產(chǎn)品粒度較小且分布不均勻，表明當(dāng)轉(zhuǎn)速較大時(shí)不利于晶體的生長(zhǎng)，可能是過大的攪拌速率將晶核打散，使得出現(xiàn)很多細(xì)小的粒子.而就粒度大小比較可以看出，低速攪拌對(duì)粒度的增大更有利一些.200 r∕min時(shí)粒徑大，且分布較150 r∕min時(shí)更窄，所以攪拌速率選擇 200 r∕min.

圖9 攪拌速率對(duì)產(chǎn)品粒度的影響Fig.9 Effects of stirring rate on product particle sizes

2.7.4 蒸發(fā)溫度對(duì)產(chǎn)品粒度的影響 過飽和度在結(jié)晶的過程中對(duì)于晶體的成核和生長(zhǎng)具有決定性的作用，而蒸發(fā)溫度又是過飽和度產(chǎn)生的一個(gè)重要因素.試驗(yàn)中，考察不同蒸發(fā)溫度下的產(chǎn)品粒度分布的影響（見圖10）.

圖10 蒸發(fā)溫度對(duì)產(chǎn)品粒度的影響Fig.10 Effects of evaporation temperature on product particle sizes

由圖10可知，蒸發(fā)溫度為150℃時(shí)粒徑較大，且分布較窄，當(dāng)蒸發(fā)溫度過高時(shí)，晶體的粒度偏小，其原因主要是過高的溫度使得溶液中的晶體運(yùn)動(dòng)加劇，使得晶體與結(jié)晶器壁碰撞增多，形成細(xì)小的晶體；若蒸發(fā)溫度過低，晶體在不斷長(zhǎng)大，但粒徑分布較寬.因此，選擇150℃蒸發(fā)結(jié)晶.

3 結(jié) 語

1）在亞磷酸鈉中和反應(yīng)中，亞磷酸和氫氧化鈉的摩爾比應(yīng)控制在1∶2左右，亞磷酸的濃度應(yīng)控制在8.54 mol∕L以下，主要生成亞磷酸氫二鈉，反應(yīng)溫度對(duì)其影響很小.

2）亞磷酸和氫氧化鈉很容易形成均勻細(xì)小的亞磷酸氫二鈉，當(dāng)粒度大于15 μm后，其晶體的生長(zhǎng)與粒度無關(guān).采用間歇法測(cè)得亞磷酸氫二鈉結(jié)晶動(dòng)力學(xué)，其成核速率方程為B0=4.73×109G1.32M，成長(zhǎng)速率方程為G=4.69×10-6S1.06.

3）在亞磷酸氫二鈉溶液結(jié)晶過程中，選擇處于介穩(wěn)區(qū)中部偏向超溶解度曲線時(shí)加入少量粒度大晶種，并控制蒸發(fā)溫度在150℃左右，200 r∕min攪拌速度下結(jié)晶，得晶粒較大亞磷酸氫二鈉晶體.

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本文編輯：張 瑞

Manufacturing Technique and Crystallization Kinetics of Sodium Phosphite

JIN Xin1，XU Zhigao1，2*，CHI Ru’an1，HUANG Xiaohui3，XU Yuanlai1，ZHOU Fang1
1.Key Laboratory of Green Chemical Process（Wuhan Institute of Technology），Ministry of Education，Wuhan 430205，China；2.Key Laboratory of Catalysis and Materials Science of the State Ethnic Affairs Commission&Ministry of Education，Hubei Province，South-Central University for Nationalities，Wuhan 430074，China；3.School of Chemical Engineering，Gansu Industry Polytechnic College，Tianshui 740125，China

The sodium phosphite was prepared by acid-base neutralization method，and the crystallization kinetics in the crystallization process was investigated by the intermittent dynamic method.In acid-base neutralization experiment，the effects of reaction temperature，molar ratio and phosphorous acid concentration on reaction products were discussed.It was found that the optimized process for the production of disodium hydrogen phosphite was to control the molar ratio（phosphorous acid：sodium hydroxide） at 1∶2 and the concentration of phosphorous acid below 8.54 mol∕L.Meanwhile，the reaction temperature had little effect on the reaction.In the crystallization process，phosphoric acid and sodium hydroxide were easy to form the uniform crystal particle shape，then the growth of crystal could be expressed by the size-independent growth model when the particle size was larger than 15 μm.The nucleation rate equation and growth rate equation of disodiumhydrogen phosphite were obtained.In addition，the factors influencing the product partical size were discussed.A larger crystal of disodium hydrogen phosphite crystals can be obtained at a evaporation temperature of about 150 ℃ ，stirring speed of 200 r∕min and adding a small amount of coarse seeds at the position of the central partial in the metastable zone bias over super solubility curve.

sodium phosphite；neutral method；intermittent dynamic method；crystallization kinetics

TQ013.2

A

10.3969∕j.issn.1674?2869.2017.04.001

2017-03-29

湖北省磷資源開發(fā)利用協(xié)同中心創(chuàng)新開放基金（P201111）；湖北省教育廳優(yōu)秀中青年科技創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目（T201506）

金 鑫，碩士研究生.E-mail：854433482@qq.com

*通訊作者：徐志高，博士，副教授，碩士研究生導(dǎo)師.E-mail：xuzhigaotc@126.com

金鑫，徐志高，池汝安，等.亞磷酸鈉的生產(chǎn)工藝及結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究［J］.武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2017，39（4）：307-312.

JIN X，XU Z G，CHI R A，et al.Manufacturing technique and crystallization kinetics of sodium phosphite［J］.Journal of Wuhan Institute of Technology，2017，39（4）：307-312.

1674-2869（2017）04-0307-06