L’acido fosforico o acido tetraossofosforico (V) noto come è impiegato in massima parte per la produzione di fertilizzanti fosfatici. Inoltre è usato per l’ottenimento di detersivi sintetici, mangimi animali e insetticidi. Ha formula H3PO4 dove il fosforo presenta numero di ossidazione +5.
Esso può essere ottenuto mediante il processo a umido e il processo termico.
Il processo a umido risale al 1870 e consiste:
- nell’attacco con acido solforico di fosfati naturali
- nella separazione per filtrazione dell’acido fosforico dal solfato di calcio formatosi
- nella concentrazione dell’acido stesso al livello desiderato.
Il metodo termico richiede:
- la preventiva riduzione dei fosfati a fosforo, operazione cui segue:
- la combustione del fosforo a pentossido di fosforo e l’assorbimento di questo con acqua per ottenere l’acido concentrato.
Quest’ultimo metodo, più costoso del primo, dà un prodotto superiore a quello ottenuto con il primo metodo. In conseguenza di ciò, l’acido prodotto con il metodo a umido (più del 75%) viene prevalentemente impiegato per la produzione di fertilizzanti, mentre quello prodotto termicamente viene usato soprattutto per quei prodotti di qualità nell’industria chimica per i quali viene richiesta una elevata purezza come prodotti alimentari e detergenti.
Produzione con il metodo a umido
La reazione sulla quale si basa tale produzione può essere schematizzata nel modo seguente:
Ca10F2(PO4)6 + 10 H2SO4 + 10 H2O → 6 H3PO4 + 10 CaSO4· H2O + 2 HF
Al fine di realizzare questa reazione bisogna stabilire le condizioni operative che permettano la precipitazione del solfato di calcio in una forma che possa essere allontanata facilmente per filtrazione. Gli impianti operano in continuo con un solo reattore di attacco.
Nel reattore di attacco sono introdotti il fosfato macinato e acido solforico concentrato oltre ad acido fosforico poco concentrato di riciclo dell’impianto stesso.
Raffreddamento
Il reattore è provvisto di sistemi di agitazione e di un sistema per allontanare l’acido fluoridrico. In esso, inoltre, deve essere previsto il raffreddamento della massa in reazione per allontanare il calore prodotto dalla reazione stessa.
Questo raffreddamento è in genere effettuato insufflando aria, che, tuttavia, causa un aumento dei volumi dei gas in uscita che contengono HF e, quindi, maggiori difficoltà per il loro lavaggio.
Pertanto si preferisce un metodo di raffreddamento che prevede la separazione in continuo di una parte della miscela. Essa , sottoposta ad un’evaporazione sottovuoto che la raffredda, è successivamente reimmessa in circolazione. La miscela deve rimanere in ciclo abbastanza a lungo affinché la reazione si completi e i cristalli di gesso raggiungano dimensioni tali da renderne agevole la filtrazione.
Per ottenere un buon risultato è necessario controllare i parametri operativi nel reattore:
- la quantità di acido solforico in eccesso deve essere compresa tra l’1.5 e il 3%
- l’acido fosforico può raggiungere una concentrazione del 50%.
Concentrazioni maggiori, infatti provocherebbero la formazione di cristalli di solfato di calcio molto piccoli e difficilmente filtrabili. Dopo circa otto ore di permanenza nel reattore la miscela viene inviata a una serie di filtri in cui viene filtrato e lavato l’acido fosforico. A causa della presenza di sostanze molto aggressive ( H3PO4, H2SO4, HF) il reattore deve essere costruito in acciaio al carbonio e tuta la componentistica ( filtri, pompe, agitatori ecc.) devono essere di acciaio inossidabile e protetti con un rivestimento di gomma.
Produzione di acido fosforico con il metodo termico
La produzione di acido fosforico a partire dal fosforo elementare richiede quattro stadi fondamentali:
1) La combustione del fosforo
2) L’idratazione del pentossido di fosforo formatosi
3) Il recupero del pentossido di fosforo dalle nebbie
4) la dearsenificazione del prodotto finale
le reazioni relative ai primi due stadi sono:
P4 + 5 O2 → 2 P2O5 (ΔH = – 360 kcal/mol)
P2O5 + 3 H2O → 2 H3PO4 (ΔH = – 22.4 kcal/mol)
Il fosforo è alimentato nella torre allo stato liquido attraverso tubi riscaldati, mentre l’aria di combustione disperde il fosforo stesso in particelle molto fini che si infiammano spontaneamente all’uscita del bruciatore.
L’acido prodotto è in parte inviato allo stoccaggio del prodotto e in parte mescolato con acqua fredda in un recipiente di raccolta e mandato in riciclo.
E’ necessario allontanare dall’acido che, prodotto con tale metodo è usato nell’industria alimentare, il contenuto di arsenico che deve essere di poche ppm. Tale livello di purezza è raggiunto trattando l’acido con l’idrogenosolfuro di sodio NaHS in un serbatoio dotato di agitatore. L’arsenico precipita come solfuro, mentre l’eccesso di NaHS è eliminato come H2S per insufflaggio di aria.