駱萬智 ,余 瑩 ,居 麗 ,丁一剛 ,龍秉文
[1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430073;2.湖北祥云(集團(tuán))化工股份有限公司]
工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀除砷制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀
駱萬智1,余 瑩2,居 麗2,丁一剛1,龍秉文1
[1.武漢工程大學(xué)化工與制藥學(xué)院,綠色化工過程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,湖北武漢430073;2.湖北祥云(集團(tuán))化工股份有限公司]
介紹了以工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀為原料,通過去除微量的砷雜質(zhì)制備食品級(jí)磷酸二氫鉀,再經(jīng)過脫水聚合制備聚偏磷酸鉀的方法。其中微量砷離子脫除是重要的一步。除砷方法是將工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀加熱至熔融狀態(tài),利用氫鹵酸與砷離子反應(yīng)生成低沸點(diǎn)的鹵化砷,并在高溫下氣化分離出去,以達(dá)到脫除微量砷的目的,得到食品級(jí)磷酸二氫鉀??疾炝朔磻?yīng)時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速、鹵化氫用量對(duì)除砷效果的影響,當(dāng)磷酸二氫鉀與氫鹵酸物質(zhì)的量比低于16.7、攪拌轉(zhuǎn)速大于250 r/min、反應(yīng)時(shí)間在45 min以上時(shí),可以使工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀中的砷含量達(dá)到食品級(jí)磷酸二氫鉀的要求。采用化學(xué)分析以及X射線衍射(XRD)、紅外光譜(IR)、拉曼光譜(Raman)等表征手段,綜合分析了聚偏磷酸鉀實(shí)驗(yàn)樣品的黏度、分子組成等,并與商業(yè)樣品相比較,結(jié)果表明二者性質(zhì)一致,并達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
磷酸二氫鉀;聚偏磷酸鉀;鹵化砷
聚偏磷酸鉀是一種具有市場前景和開發(fā)價(jià)值的精細(xì)磷酸鹽,尤其是國家在2013年將其批準(zhǔn)可作為食品添加劑使用后,其市場需求將不斷攀升[1-4]。聚偏磷酸鉀作為食品添加劑對(duì)蛋白質(zhì)、高分子碳?xì)浠衔锞哂性鋈茏饔?,故可顯著增加食品的水合性和保水性,使食品更加柔軟從而提高食品的質(zhì)量。另一方面,添加聚偏磷酸鉀可有效控制食品制造和保存過程中的pH,利于食品保鮮[5-7]。
目前,聚偏磷酸鉀主要制備方法有復(fù)分解法、燒結(jié)法和磷酸二氫鉀脫水聚合法。復(fù)分解法反應(yīng)易發(fā)生,但原料雜質(zhì)太多。燒結(jié)法熱量可以循環(huán)使用,但原料中含有雜質(zhì),致使產(chǎn)品純度僅能達(dá)到85%~90%。磷酸二氫鉀脫水聚合法,不僅原子利用率高,而且生產(chǎn)過程中除了產(chǎn)生少量水外不會(huì)產(chǎn)生其他雜質(zhì),因而其產(chǎn)品純度更高,更適合食品級(jí)聚偏磷酸鉀的生產(chǎn)[8-9]。根據(jù)食品級(jí)聚偏磷酸鉀國家標(biāo)準(zhǔn),除了對(duì)磷、氮、溶液黏度等有要求外,對(duì)砷元素含量有著非常嚴(yán)格的要求。眾所周知,砷離子長期低劑量攝入會(huì)在人體中蓄積從而引起慢性砷中毒和誘發(fā)各類皮膚病以及肝腎損傷,因此國家標(biāo)準(zhǔn)將食品級(jí)聚偏磷酸鉀中的砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制在3×10-6以下,這就要求原料磷酸二氫鉀中的砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)不能超過2.6×10-6,而通常工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀的砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為(5~6)×10-6。
筆者以工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀為原料,通過去除微量的砷雜質(zhì)制備食品級(jí)磷酸二氫鉀,再經(jīng)過脫水聚合制備聚偏磷酸鉀。首先考察了反應(yīng)時(shí)間、攪拌轉(zhuǎn)速、氫鹵酸用量等因素對(duì)去除磷酸二氫鉀中微量砷的影響,其次考察了升溫速率、反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度等因素對(duì)聚偏磷酸鉀性質(zhì)的影響,優(yōu)選出制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀的優(yōu)化條件。
原料:磷酸二氫鉀(工業(yè)級(jí),砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5.33×10-6)、鹽酸(分析純)、氫溴酸(分析純)、聚偏磷酸鉀(食品級(jí))。
儀器:Optima 8000電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES);TG209 F1 Libra同步熱分析儀;XRD-6100 X射線衍射儀(XRD);SpectrumⅡ紅外光譜儀(IR);MiniRam Ⅲ拉曼光譜儀(Raman);KSY-6D-16馬弗爐;LVDV-1旋轉(zhuǎn)黏度計(jì)。
除砷過程:將固體磷酸二氫鉀相轉(zhuǎn)變?yōu)槿廴跔顟B(tài),利用氫鹵酸與微量砷離子反應(yīng)生成低沸點(diǎn)的鹵化砷(如AsCl3),并在高溫下氣化,以達(dá)到分離微量砷的目的。
制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀過程:除砷后的熔融態(tài)磷酸二氫鉀直接進(jìn)入聚偏磷酸鉀反應(yīng)裝置,通過進(jìn)一步升溫制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀。該連續(xù)操作過程可避免除砷后的磷酸二氫鉀先冷卻再熔融的步驟,降低了生產(chǎn)能耗。
稱取 1 mol工業(yè)級(jí)磷酸二氫鉀(約 136.09 g),放入帶攪拌的500 mL三口燒瓶中,在電子萬用爐上加熱至熔融狀態(tài)(230~250℃),而后轉(zhuǎn)移至恒溫電磁加熱套內(nèi)。調(diào)節(jié)攪拌轉(zhuǎn)速,一次性將氫鹵酸(1+3)加入到三口燒瓶中,反應(yīng)一定時(shí)間后得到除砷的磷酸二氫鉀。將熔融態(tài)磷酸二氫鉀(68.05 g)轉(zhuǎn)移至坩堝中,放入馬弗爐內(nèi),繼續(xù)升溫脫水,生成聚偏磷酸鉀。
2.1.1 磷酸二氫鉀脫水過程熱分析
從實(shí)驗(yàn)流程可知除砷工藝是在熔融狀態(tài)下進(jìn)行的,因此首先對(duì)除砷原料磷酸二氫鉀的熱性質(zhì)進(jìn)行表征分析,包括熔融溫度、失水起始溫度、失水過程中的相變化或者化學(xué)變化等。磷酸二氫鉀熱重-差熱分析(TG-DTA)曲線見圖1。由TG曲線看出,在200℃以內(nèi)磷酸二氫鉀質(zhì)量損失始終接近于0,當(dāng)溫度升高至250℃時(shí)開始出現(xiàn)明顯的失水過程,當(dāng)溫度升高至330℃時(shí)脫水率達(dá)到13.24%。若選擇250℃以內(nèi)對(duì)磷酸二氫鉀進(jìn)行熔融,由于溫度過高會(huì)產(chǎn)生少許聚偏磷酸鉀,但該過程不影響攪拌。同樣,通過DTA曲線發(fā)現(xiàn),在240~300℃區(qū)間磷酸二氫鉀有一個(gè)明顯的吸熱峰,此失水過程正好與熱質(zhì)量損失過程相對(duì)應(yīng)。當(dāng)溫度升高至約270℃時(shí),吸熱峰達(dá)到最大值,此時(shí)吸熱速率也達(dá)到最大值。在190℃出現(xiàn)的一個(gè)小吸熱峰,通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)是磷酸二氫鉀融化過程引起的吸熱峰。綜合上述分析,選用230~250℃為反應(yīng)溫度。
圖1 磷酸二氫鉀熱重-差熱分析曲線
2.1.2 各反應(yīng)因素對(duì)除砷效果的影響
固定條件:氫鹵酸用量為磷酸二氫鉀與氫鹵酸物質(zhì)的量比為16.7,攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min,反應(yīng)時(shí)間為30 min。改變其中1個(gè)條件、固定其他條件,考察各因素對(duì)磷酸二氫鉀除砷效果的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖2a~c。由圖2a可知,增加氫鹵酸用量,磷酸二氫鉀的砷含量顯著下降。主要是因?yàn)椋瑲潲u酸用量越多,砷與氫鹵酸反應(yīng)生成低沸點(diǎn)鹵化砷的量越多,除雜效果越好。由圖2a看出,當(dāng)磷酸二氫鉀與氫鹵酸物質(zhì)的量比小于16.7時(shí),砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)可低于2.6×10-6。由圖2a還可以看出,氫溴酸與氫氯酸對(duì)除砷的區(qū)別較小??紤]到工業(yè)上一般采用鹽酸作為除砷劑,而且鹽酸便宜易得,因此實(shí)驗(yàn)采用鹽酸除砷。
由圖2b可知,增加攪拌轉(zhuǎn)速,磷酸二氫鉀的砷含量呈線性下降的趨勢。因?yàn)樵诟邤嚢柁D(zhuǎn)速時(shí),鹽酸與砷離子更容易發(fā)生反應(yīng),生成的三氯化砷與空氣接觸的機(jī)會(huì)更大,更容易擴(kuò)散至空氣中,能夠獲得更好的除砷效果。雖然攪拌轉(zhuǎn)速越高除砷效果越好,但是會(huì)增加電動(dòng)機(jī)的能耗量。從圖2b發(fā)現(xiàn),當(dāng)攪拌轉(zhuǎn)速為300 r/min時(shí),砷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降至2.6×10-6以下。但實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn),攪拌轉(zhuǎn)速過快將使熔融態(tài)磷酸二氫鉀飛濺到三口燒瓶壁上,嚴(yán)重影響除砷效果。因此選擇攪拌轉(zhuǎn)速為250 r/min。
由圖2c可知,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為30~90 min時(shí),隨著反應(yīng)時(shí)間的增加,磷酸二氫鉀的砷含量呈線性下降,但90 min之后砷含量基本保持不變。主要是因?yàn)?,?dāng)反應(yīng)時(shí)間在90 min以內(nèi)時(shí),反應(yīng)時(shí)間越長反應(yīng)進(jìn)行得越充分,生成的低沸點(diǎn)三氯化砷的量隨反應(yīng)時(shí)間的增加而增加,磷酸二氫鉀中的砷含量線性降低。由圖2c看出,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間在45 min以上時(shí),可以使磷酸二氫鉀的砷含量達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖2 各反應(yīng)因素對(duì)磷酸二氫鉀除砷效果的影響
2.2.1 單因素實(shí)驗(yàn)
1)反應(yīng)時(shí)間。設(shè)定反應(yīng)溫度為500℃,考察反應(yīng)時(shí)間(1、2、3、4、5、6 h)對(duì)聚偏磷酸鉀收率、磷含量、黏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖3。由圖3看出,隨著反應(yīng)時(shí)間增加,聚偏磷酸鉀收率維持在99.4%以上,說明大部分磷酸二氫鉀都進(jìn)行了脫水轉(zhuǎn)化,時(shí)間對(duì)聚偏磷酸鉀收率的影響非常??;隨著時(shí)間增加,聚偏磷酸鉀的磷(P2O5)質(zhì)量分?jǐn)?shù)維持在 59.84%~59.96%,而 K3PO4、KPO3、K4P2O7理論 P2O5質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為33.49%、60.17%、43.03%,這也驗(yàn)證了該脫水過程僅生成了PO3-;隨著時(shí)間增加,產(chǎn)物黏度發(fā)生了明顯變化,反應(yīng)時(shí)間超過3 h以后,產(chǎn)物黏度維持在一個(gè)相對(duì)高的水平,而且達(dá)到了國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖3 反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚偏磷酸鉀性質(zhì)的影響
2)升溫速率。由反應(yīng)時(shí)間對(duì)聚偏磷酸鉀收率、磷含量、黏度的影響可知,磷含量和收率隨反應(yīng)時(shí)間的變化不大,僅黏度存在一定的差異,因此對(duì)于升溫速率的影響實(shí)驗(yàn)僅考察了對(duì)聚偏磷酸鉀黏度的影響,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖4。設(shè)定反應(yīng)溫度為500℃,調(diào)整升溫速率分別為 6.7、15.0、25.0、∞ ℃/min(∞ 表示直接放入設(shè)定溫度),考察反應(yīng)時(shí)間分別為 1、2、3、4、5 h 時(shí)結(jié)束脫水聚合反應(yīng),測定聚偏磷酸鉀的黏度。由圖4看出,隨著時(shí)間增加,聚偏磷酸鉀的黏度基本呈現(xiàn)先升高然后維持穩(wěn)定的趨勢。食品級(jí)聚偏磷酸鉀的黏度要求在 6.5~15.0 mPa·s。 當(dāng)反應(yīng)時(shí)間低于 3 h 時(shí),不同升溫速率下聚偏磷酸鉀的黏度基本達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)要求;反應(yīng)時(shí)間大于3 h以后,聚偏磷酸鉀的黏度基本處于6.5 mPa·s以上,達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。
圖4 升溫速率對(duì)聚偏磷酸鉀黏度的影響
3)反應(yīng)溫度。設(shè)定反應(yīng)溫度分別為400、500℃,升溫速率為 ∞ ℃/min,在反應(yīng)時(shí)間分別為 1、2、3、4、5 h時(shí)結(jié)束脫水聚合反應(yīng),測定聚偏磷酸鉀的黏度,實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖5。從圖5看出,反應(yīng)溫度為400℃時(shí),反應(yīng)時(shí)間為 1~5h 內(nèi)產(chǎn)品的黏度均低于 6.5mPa·s;反應(yīng)溫度為500℃時(shí),反應(yīng)1 h所得聚偏磷酸鉀的黏度比400℃時(shí)提高367%,但其黏度仍然低于6.5 mPa·s,而 反應(yīng) 時(shí)間 為 5 h 時(shí)其黏度 可達(dá) 到9 mPa·s。
圖5 反應(yīng)溫度對(duì)聚偏磷酸鉀黏度的影響
2.2.2 正交實(shí)驗(yàn)
以聚偏磷酸鉀的黏度、收率、磷含量為考察指標(biāo),選取反應(yīng)時(shí)間、反應(yīng)溫度、升溫速率3個(gè)因素作為考察因素,每個(gè)因素選擇3個(gè)水平,進(jìn)行9組正交實(shí)驗(yàn),用于優(yōu)化制備聚偏磷酸鉀的工藝條件。正交實(shí)驗(yàn)因素及水平見表1,實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果見表2。
表1 正交實(shí)驗(yàn)因素及水平
表2 正交實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果
由表 2 發(fā)現(xiàn),1、2、6 號(hào)樣品黏度均低于 6.5mPa·s,不符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過比較剩下的6組實(shí)驗(yàn)得出以下結(jié)論:若要生產(chǎn)黏度較高的產(chǎn)品,并降低工業(yè)生產(chǎn)成本,則選擇3號(hào)實(shí)驗(yàn)條件,即反應(yīng)時(shí)間為3 h、反應(yīng)溫度為600℃、升溫速率為20℃/min;若要生產(chǎn)黏度較低的產(chǎn)品,則選擇8號(hào)實(shí)驗(yàn)條件,即反應(yīng)時(shí)間為5h、反應(yīng)溫度為500℃、升溫速率為∞℃/min。根據(jù)正交實(shí)驗(yàn)可以得出制得符合國家標(biāo)準(zhǔn)的聚偏磷酸鉀的實(shí)驗(yàn)條件:反應(yīng)時(shí)間為4 h及以上,反應(yīng)溫度為500~700℃,升溫速率為大于10℃/min。
磷酸二氫鉀除砷之后制備聚偏磷酸鉀是否會(huì)因?yàn)槌楣に嚩沟卯a(chǎn)品的性質(zhì)產(chǎn)生變化,筆者采用化學(xué)分析與XRD、IR、Raman等表征手段,驗(yàn)證了除砷后制得的聚偏磷酸鉀的性質(zhì),并采用商業(yè)樣品與實(shí)驗(yàn)樣品進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見圖6a~c。圖6a為實(shí)驗(yàn)樣品和商業(yè)樣品XRD譜圖。由圖6a看出,實(shí)驗(yàn)樣品和商業(yè)樣品在結(jié)構(gòu)上沒有明顯的變化。進(jìn)一步參照聚偏磷酸鉀標(biāo)準(zhǔn)樣品XRD譜圖發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)樣品XRD譜圖與標(biāo)準(zhǔn)樣品XRD譜圖基本一致。這說明磷酸二氫鉀在熔融態(tài)的除砷過程中,持續(xù)較高的熔融溫度有少量的聚偏磷酸鉀生成,但對(duì)最終產(chǎn)物的結(jié)構(gòu)影響可以忽略。
圖6b為實(shí)驗(yàn)樣品和商業(yè)樣品IR圖。由圖6b看出,商業(yè)樣品和實(shí)驗(yàn)樣品均在3 448.27 cm-1有特征峰,說明有氫鍵生成,有一部分自由水存在。直接升溫產(chǎn)物在 1 289.47 cm-1及 1 150.31 cm-1處出現(xiàn) PO3-的 νasPO2和 νsPO2振動(dòng)峰、 間接升溫產(chǎn)物在 1 291.59 cm-1及 1 150.44 cm-1處出現(xiàn) PO3-的νasPO2和νsPO2振動(dòng)峰[10]都說明有PO3-存在,而沒有其他形式的磷酸根存在。從圖 6b 中基本找不到 PO3-[11]和 P2O72-的振動(dòng)峰,說明此時(shí)的反應(yīng)產(chǎn)物幾乎全部為聚偏磷酸鉀。
圖6 聚偏磷酸鉀實(shí)驗(yàn)樣品和商業(yè)樣品XRD譜圖(a)、IR 圖(b)、Raman 圖(c)
圖6c為實(shí)驗(yàn)樣品和商業(yè)樣品Raman圖。大多數(shù)無機(jī)含氧基團(tuán)的紅外光譜帶通常較寬,而拉曼光譜帶卻非常尖銳,因此拉曼光譜與紅外光譜有較好的互補(bǔ)性。通過拉曼光譜圖發(fā)現(xiàn),商業(yè)樣品在686.12 cm-1和 1 151.11 cm-1處出現(xiàn)了 PO3-的 νsPOP和νsPO2振動(dòng)峰; 實(shí)驗(yàn)樣品在 687.14 cm-1和 1 155.45 cm-1處出現(xiàn)了 PO3-的 νsPOP和 νsPO2振動(dòng)峰。 上述結(jié)論均證明只有PO3-存在,而沒有其他形式的磷酸根存在,說明此時(shí)產(chǎn)物幾乎均為聚偏磷酸鉀。
磷酸二氫鉀在熔融狀態(tài)下除砷,氫鹵酸與砷離子反應(yīng)生成低沸點(diǎn)的鹵化砷(如AsCl3)隨著氣體分離出去。該方法操作方便,在制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀過程中,熔融態(tài)磷酸二氫鉀可直接進(jìn)入聚偏磷酸鉀反應(yīng)合成裝置,通過進(jìn)一步升溫來制備食品級(jí)聚偏磷酸鉀。該方法可避免脫砷后磷酸二氫鉀冷卻后再升溫熔融,減少了重復(fù)加熱帶來的能量損耗,整個(gè)工藝流程較為綠色節(jié)能。在微量除雜過程中,通過研究發(fā)現(xiàn),隨著反應(yīng)時(shí)間的增加除砷效果明顯,90 min以后反應(yīng)時(shí)間對(duì)除砷效果的影響較小,而反應(yīng)轉(zhuǎn)速和磷酸二氫鉀與氫鹵酸物質(zhì)的量比越大,磷酸二氫鉀的除砷效果越明顯。確定了當(dāng)磷酸二氫鉀與氫鹵酸物質(zhì)的量比小于16.7、反應(yīng)轉(zhuǎn)速大于250 r/min、反應(yīng)時(shí)間大于45 min時(shí),磷酸二氫鉀中砷質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以低于2.6×10-6,達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。采用正交實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步研究了聚偏磷酸鉀的制備工藝,當(dāng)反應(yīng)時(shí)間為4 h及以上、反應(yīng)溫度為500~700℃、升溫速率大于10℃/min時(shí),制備的聚偏磷酸鉀的收率較高,磷含量和黏度均符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求。通過化學(xué)分析與XRD、IR、Raman等表征手段發(fā)現(xiàn),與商業(yè)樣品相比實(shí)驗(yàn)樣品的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)未發(fā)生明顯的變化。
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Production of food grade potassium polymetaphosphate from industrial potassium dihydrogen phosphate by trace arsenic removal
Luo Wanzhi1,Yu Ying2,Ju Li2,Ding Yigang1,Long Bingwen1
(1.Key Laboratory for Green Chemical Process of Ministry of Education,School of Chemical Engineering and Pharmacy,Wuhan Institute of Technology,Wuhan 430073,China;2.Hubei Harvin(Group) Chemical Industry Company)
A preparation method for food grade potassium polymetaphosphate with industrial grade potassium dihydrogen phosphate as raw material,by removing trace arsenic to food grade potassium dihydrogen phosphate and by subsequent dehydration polymerization was introduced.It was of great importance that the trace arsenic removal in all the steps.During the removal,potassium dihydrogen phosphate was heated to a molten state at first,hydrogen halogen acid and arsenic ion had a reaction between each other so as to obtain low boiling point arsonium halide.Food grade potassium dihydrogen phosphate would be obtained after gasification separation at high temperature.The influences of reaction time,stirring speed and the amount of hydrogen halide on the removal effect were investigated.When the amount of substance ratio of potassium dihydrogen phosphate to halogen acid was lower than 16.7,the stirring speed was higher than 250 r/min,and reaction time was above 45 min,the arsenic content in industrial potassium dihydrogen phosphate could reache the standard of food grade.The structure and viscosity etc.of potassium polymetaphosphate samples were characterized by XRD,IR and Raman.Compared with the commercial samples,they were consistent in nature and met the requirements of the national standard.
potassium dihydrogen phosphate;potassium polymetaphosphate;arsonium halide
TQ126.35
A
1006-4990(2017)12-0033-05
2017-06-17
駱萬智(1990— ),男,碩士研究生。
龍秉文,教授。
聯(lián)系方式:bingwen_long@163.com