专利名称：一种电解法制备磷酸二氢钾的方法
技术领域：
本发明涉及一种电解法制备磷酸二氢钾的方法，属于磷酸钾盐的制备领域。
背景技术：
目前，生产磷酸二氢钾的方法很多，有中和法、复分解法、转化法、溶剂萃取法、电解法等。最简单的方法是中和法，如用氢氧化钾或者碳酸钾中和磷酸，而制得磷酸二氢钾。该法具有的优点为工艺流程简单、工艺技术成熟等，缺点是原料投资大、产品生产成本高，不适合大规模生产。复分解法，以氯化钾和磷酸、KCl与MH2PO4 (其中M是Na或NH4)为原料的复分解 法制备磷酸二氢钾，此类方法能使生产成本降低，但仍有不足之处。如磷酸与氯化钾为原料的方法，反应温度高，反应周期长，对设备的腐蚀很大，能耗高，反应条件苛刻且产品质量不高，设备腐蚀问题与脱出氯化氢的问题需要解决。采用磷酸二氢铵、磷酸二氢钠或磷酸钠的复分解法，对相图原理的掌握要求较高，同时PH值的控制也很关键，操作要求较严格，否则生产控制不好的话，经循环几次后很容易出现产品分离困难的问题，使产品质量下降。转化法，如硫酸-氯化钾-磷酸氢钙分段反应的方法，由硫酸分解氯化钾制得硫酸氢钾，硫酸氢钾与磷酸氢钙反应的方法，生产磷酸二氢钾和磷酸的混合溶液与磷石膏；以氯化钾与过量硫酸反应得到硫酸氢钾与硫酸混合液，然后再与磷矿反应得到磷酸二氢钾与磷石膏，分离出磷石膏后，向溶液中加入碳酸钾和K2S中和净化除杂，过滤沉淀，浓缩结晶出磷酸二氢钾产品。此法采用廉价的磷矿粉为原料，大大降低了生产成本，但是副产的磷石膏利用率低，会导致磷资源的部分损失。虽然工艺路线丰富多样，原料成本低，但是工艺流程复杂，磷收率低，副产磷石膏或者钾石膏，会造成磷、钾资源的损失，加之如今磷石膏的利用问题本身是一大难题，会造成环境问题，所以此法不适合大规模的生产。溶剂萃取法，以氯化钾与磷酸为原料，有机脂肪胺为主萃取剂并添加辅助萃取剂，制备磷酸二氢钾现有的萃取法工艺，具有的优点是产品纯度相对较高、无腐蚀性氯化氢气体的生成，但在萃取过程中萃取剂的选择和再生问题很关键，若解决不好，萃取剂昂贵价格会使生产成本增加。离子交换法是一种以阴离子或阳离子交换树脂对H2P04_和K+的吸附和再生过程来生成磷酸二氢钾的方法。该法分为阴、阳离子交换树脂离子交换法。其优点是工艺简单，设备材质也无特殊要求，产品纯度较高，对环境污染小。缺点是树脂价格高，设备投资费用高，用稀溶液进行交换和再生，需蒸发大量水分，因此能耗高，成本高，无竞争能力。Ramp, Floyd L在申请号为US3974047的美国专利中公开了利用电解法制备磷酸二氢钾的方法。该法以以钾盐和磷酸为原材料，采用具有选择透过性的只允许H2PO4-或K+通过而其它分子或大分子物质不能通过离子交换膜电解制备磷酸二氢钾。因此阴、阳极分别生成的H2和Cl2被分开，纯度较高，只要稍微处理就可利用。综合来说，该法具有电解法对环境污染小、工艺流程短、产品纯度高的优点。其缺点是离子交换膜的价格高，对磷酸和钾盐中的杂质含量要求高，原料的净化处理工艺较为繁琐。但若以湿法磷酸为原料，杂质含量高，在电解过程中离子交换膜易被堵塞，对离子交换膜的损坏大。存在由于离子交换膜失活导致电解工艺不可行的弊端，同时也会增加设备投资。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特点是克服了传统复分解法的反应温度高、反应时间长，设备腐蚀严重等问题，具有环境污染小、设备的腐蚀小，工艺易实现，成本低廉的优点。本发明的目的由以下技术措施实现，其中所述原料份数除特殊说明外均为重量份数。电解法制备磷酸二氢钾的方法包括以下步骤 (I)磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应将饱和或接近饱和的氯化钾溶液与浓度为I 8mol/L的磷酸氢二钾的溶液、或磷酸二氢钾和磷酸氢二钾的混合溶液、或磷酸氢二钾和磷酸三钾的混合溶液、或磷酸三钾和氢氧化钾的混合溶液加入电解槽中，保持电解反应温度40 100°C，在电解电压为I 5V，电流密度为400 3000A/m2的条件下，连续电解反应，氯离子不断向阳极表面迁移在阳极产生析氯反应，生成氯气，阴极主要发生析氢反应，产生氢气，电解结束即得到磷酸氢二钾、或磷酸氢二钾和磷酸三钾的混合液、或磷酸三钾、或磷酸三钾和氢氧化钾的混合溶液；(2)磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾将磷酸加入步骤(I)所得钾盐混合溶液中，保持中和反应温度为10 90°C，磷酸的加入量以PH值为参考依据，调节混合溶液的pH值为2. 0 6. 0，反应完成后，蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾，其化学反应式为2H3P04+K3P04 = 3KH2P04 (I)K2HP04+H3P04 = 2KH2P04 (2)(3)调节结晶母液pH值将结晶分离出磷酸二氢钾的母液与步骤(I)的钾盐混合溶液中和，钾盐混合溶液的加入量以PH值为参考依据，调节母液的pH值为8. 0 10. 0，再将母液返回电解槽电解，使母液得以循环利用。所述原料磷酸为湿法磷酸或热法磷酸。所述电解槽中的阳极电极材料为碳、石墨电极、金属氧化物PbO2电极、Sn02、MnO2电极、DSA阳极、钼或铅中的任一种；优选为DSA阳极，其具有电催化活性高、耐腐蚀、工作寿命长、析氯过电位低优点所述电解槽中的阴极材料为Zn、Sn、Cd、Fe、石墨、Cu、低碳钢、Ni-Zn或Ni-Co中的任一种。所述电解槽的材质为铁、钢、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、玻璃钢或有机玻璃中的任一种。所述电解槽中将阴极室和阳极室隔开的隔膜为聚四氟乙烯隔膜、聚烯烃树脂微孔膜、聚苯硫醚膜、普通石棉膜、改性石棉膜或离子交换膜中的任一种。性能测试
I、采用四苯硼酸钾重量法测试氧化钾含量。2、采用磷钥酸喹啉重量法测试五氧化二磷含量。3、采用GB/T3051-2000无机化工产品中氯化物含量测试氯离子含量(汞量法)。用方法I和2测试磷酸二氢钾的含量。本发明具有以下优点本发明把氯碱的生产工艺和磷酸盐生产技术相结合，采用磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应制备磷酸钾盐混合液，用磷酸中和电解得到的磷酸钾盐混合溶液生成磷酸二氢钾，再用钾盐混合溶液中和母液后，返回电解体系电解。构成了连续性制备磷酸二氢钾的方法。该方法具有环境污染小、设备的腐蚀小，工艺易实现，成本低廉的优点。
具体实施例方式下面通过实施例对本发明进行具体的描述，有必要在此指出的是本实施例只能用于对本发明进行进一步说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域的技术熟练人员可以根据上述本发明的内容作出一些非本质的改进和调整。实施例I :第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用聚氯乙烯电解槽，以石墨为阳极，石墨为阴极，以聚苯硫醚膜为电解槽隔膜材料。将浓度为lmol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为60°C、电解电压为2. IV、电流密度为400A/m2的条件下电解反应0. 5h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为60%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为30°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为2.0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾30g，其中磷酸二氢钾含量为94. 8%,氯含量为2. 0% ；第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节PH值，控制pH值为8. 0，然后循环回电解槽。实施例2 第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用钢材质的电解槽，以金属氧化物PbO2电极为阳极，Fe为阴极，以旭硝子膜为电解槽隔膜材料。将浓度为4mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为40°C、电解电压为3. 0V、电流密度为1000A/m2的条件下电解反应12h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为75%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为40°C，用热法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为4. 0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾200g，其中磷酸二氢钾含量为
97.4%，氯含量小于1.0%;第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节pH值，控制pH值为8. 5，然后循环回电解槽。实施例3:第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用有机玻璃电解槽，以金属氧化物DSA电极为阳极，Fe为阴极，以普通石棉膜为电解槽隔膜材料。将浓度为8mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为100°C、电解电压为5V、电流密度为3000A/m2的条件下电解反应24h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为70%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为50°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为6. 0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾165g，其中磷酸二氢钾含量为 96. 3%，氯含量为I. 5%。第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节PH值，控制pH值为10. 0，然后循环回电解槽。实施例4 第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用有机玻璃电解槽，以金属氧化物DSA电极为阳极，Ni为阴极，以改性石棉膜为电解槽隔膜材料。将浓度为4mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为90°C、电解电压为3. 6V、电流密度为2000A/m2的条件下电解反应12h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为90%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为60°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为4. 0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾240. 5g，其中磷酸二氢钾含量为96. 7%，氯含量为I. 5%。第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节PH值，控制pH值为10. 0，然后循环回电解槽。实施例5 第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用有机玻璃电解槽，以金属氧化物DSA电极为阳极，Ni为阴极，以杜邦膜为电解槽隔膜材料。将浓度为4mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为90°C、电解电压为3. 6V、电流密度为2000A/m2的条件下电解反应12h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为95%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为80°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为4. 0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾267. 0g，其中磷酸二氢钾含量为
98.6%,氯含量为0. 2%。第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节pH值，控制pH值为8. O，然后循环回电解槽。实施例6 第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用有机玻璃电解槽，以金属氧化物DSA电极为阳极，Fe为阴极，以杜邦膜为电解槽隔膜材料。将浓度为4mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为85°C、电解电压为3. 4V、电流密度为2000A/m2的条件下电解反应12h，电解产生的氢气和氯气分别干燥收集。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为92%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为90°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为4. 0，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾246. 5g，其中磷酸二氢钾含量为 98.1%，氯含量为0. 4%。第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节PH值，控制pH值为8. 0，然后循环回电解槽。实施例7 第一步磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应电解装置采用有机玻璃电解槽，以金属氧化物DSA电极为阳极，Ni为阴极，以杜邦膜为电解槽隔膜材料。将浓度为4mol/L磷酸氢二钾溶液450g加入电解槽阴极室，同时将70°C饱和或接近饱和的氯化钾溶液泵入电解槽阳极室，使阳极液在电解槽和储液槽之间循环。在反应温度为90°C、电解电压为3. 4V、电流密度为2000A/m2的条件下电解反应12h，用稀碱液吸收产生的氯气。得到磷酸三钾和磷酸氢二钾的混合溶液，电流效率为97%。第二步磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾控制中和温度为50°C，用湿法磷酸中和第一步电解所得磷酸钾盐混合溶液。控制混合溶液的PH值为4. 5，反应完成后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾281. 0g，其中磷酸二氢钾含量为
99.1%，氯含量为0. 18%。第三步调节结晶母液pH值将第二步中结晶分离出的母液用电解反应后的磷酸钾盐溶液调节PH值，控制pH值为8. 0，然后循环回电解槽。
权利要求
1.一种电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特征为该方法包括以下步骤 (1)磷酸氢二钾与氯化钾的电解反应 将饱和或接近饱和的氯化钾溶液与浓度为I 8mol/L的磷酸氢二钾的溶液、或磷酸二氢钾和磷酸氢二钾的混合溶液、或磷酸氢二钾和磷酸三钾的混合溶液、或磷酸三钾和氢氧化钾的混合溶液加入电解槽中，保持电解反应温度40 100°C，在电解电压为2. I 5V，电流密度为400 3000A/m2的条件下，连续电解反应，氯离子不断向阳极表面迁移在阳极产生析氯反应，生成氯气，阴极主要发生析氢反应，产生氢气，电解结束即得到磷酸氢二钾、或磷酸氢二钾和磷酸三钾的混合液、或磷酸三钾、或磷酸三钾和氢氧化钾的混合溶液； (2)磷酸中和电解阴极液制备磷酸二氢钾 将磷酸加入步骤(I)所得钾盐混合溶液中，保持中和反应温度为10 90°C，磷酸的加入量以PH值为依据，调节混合溶液的pH值为2. 0 6. 0，然后蒸发浓缩混合溶液，冷却结晶，过滤，干燥得到产品磷酸二氢钾； (3)调节结晶母液pH值 将结晶分离出磷酸二氢钾的母液与步骤(I)的钾盐混合溶液中和，钾盐混合溶液的加入量以PH值为参考依据，调节母液的pH值为8. 0 10. 0，再将母液返回电解槽电解，使母液得以循环利用。
2.根据权利要求I所述电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特征在于原料磷酸为湿法磷酸或热法磷酸。
3.根据权利要求I所述电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特征在于电解槽中的阳极电极材料为碳、石墨电极、金属氧化物PbO2电极、SnO2> MnO2电极、DSA阳极、钼或铅中的任一种；电解槽中的阴极材料为Zn、Sn、Cd、Fe、石墨、Cu、低碳钢、Ni-Zn或Ni-Co中的任一种。
4.根据权利要求I所述电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特征在于电解槽的材质为铁、钢、聚氯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、玻璃钢或有机玻璃中的任一种。
5.根据权利要求I所述电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特征在于电解槽中将阴极室和阳极室隔开的隔膜为聚四氟乙烯隔膜、聚烯烃树脂微孔膜、聚苯硫醚膜、普通石棉膜、改性石棉膜或离子交换膜中的任一种。
全文摘要
本发明公开了一种电解法制备磷酸二氢钾的方法，其特点是将饱和或接近饱和的氯化钾溶液与浓度为1~8mol/L的磷酸氢二钾溶液、或磷酸二氢钾和磷酸氢二钾的混合溶液、或磷酸氢二钾和磷酸三钾的混合溶液、或磷酸三钾和氢氧化钾的混合溶液加入电解槽中，在反应温度为40~100℃，电解电压2.1~5V的条件下，连续电解得到阴极完成液，经浓缩分离，固体(或稠浆)循环进入电解系统；清液与磷酸中和后，蒸发浓缩、冷却结晶、过滤、干燥、得到产品磷酸二氢钾；母液用电解后阴极液中和后，返回电解槽，再进行电解；同时副产氯气和氢气。本发明克服了传统的复分解法的反应温度高、对设备腐蚀大，萃取法的环境污染大，原料成本高等缺点。
文档编号C25B1/14GK102732906SQ201210229199
公开日2012年10月17日 申请日期2012年7月4日 优先权日2012年7月4日
发明者张志业, 杨林, 王辛龙, 苟苹 申请人:四川大学