فسفریک اسید با فرمول H3PO4 با نام های مترادف ارتو فسفریک اسید، اسید فسفریک سفید، محلول اسید فسفریک و اورتو فسفریک اسید پس از سولفوریک اسید بیشترین تولید و مصرف را در جهان دارد.
بیشترین مصرف فسفریک اسید در تولید نمک های فسفاته همراه با کودهای شیمیایی می باشد، همچنین از فسفریک اسید در تولید مواد شیمیایی مورد استفاده در تصفیه آب، مواد پاک کننده و مواد کنترل کننده آتش نیز استفاده می شود. اسید فسفریک از اسیدهای معدنی مهم بوده که دارای تنوع مصرف بسیاری از قبیل صنایع کودهای شیمیایی، صنایع غذایی، دارویی، آبکاری و ریخته گری، تولید املاح فسفاته، تولید الیاف مصنوعی، چسب و رزین، پاک کننده های صنعتی و بهداشتی و… است.

به طور کلی فسفریک اسید به سه صورت تولید می شود که به ترتیب در صد خلوص عبارتند از:
اسید فسفریک خام
اسید فسفریک صنعتی
اسید فسفریک خوراکی

فسفریک اسید صنعتی و خوراکی از تصفیه اسید خام به دست می آیند. اسید فسفریک خام معمولاٌ از واکنش شیمیایی اسید سولفوریک با خاک فسفات تولید شده و سپس در واحدهای تصفیه به اسید فسفریک صنعتی و خوراکی تبدیل می شود. اسید فسفریک خام در صنایع کودهای شیمیایی، اسید فسفریک صنعتی در صنایع فسفاته کننده ها و شوینده های صنعتی، چربی گیرها و رنگ برها، صنایع نساجی، تصفیه پساب ها، پاک کننده های صابونی و غیر صابونی و تولید ظروف تفلون به کار می رود. اسید فسفریک خوراکی به طور عمده در تولید روغن نباتی، به عنوان ماده افزودنی در تولید نوشابه های گاز دار، تصفیه آب، خوراک دام و داروسازی و مکمل های غذای دام و طیور(دی و منو کلسیم فسفات) استفاده می شود. فسفریک اسید خوراکی را از افزودن آب به P2O5 و یا از سنگ فسفات دار در مجاورت اسید سولفوریک تهیه می کنند. اسید فسفریک، اسید ضعیفی است که در شرایط عادی و مدت زمان کوتاه آنقدر نمی تواند خطرساز باشد.

طبقه بندی های رایج استفاده شده برای اسید فسفریک

1- اسید گرمایی
نام عمومی برای اسید تولید شده توسط احتراق عنصر فسفر و هیدراسیون P2O5
2- اسید با فرآیند تَر
نام عمومی برای اسید تولید شده توسط واکنش یک اسید غیر آلی (معمولاً اسید سولفوریک) با سنگ فسفات
3- اورتو فسفریک اسید
تمام فسفات های محتوی کمتر از 68/5 درصد P2O5، به شکل مولکولی اورتو هستند. گرید تجاری اورتو فسفریک اسید (MGA ) معمولاً شامل 54-52 درصد P2O5 بوده و عمدتاً در تولید فسفات آمونیوم جامد و کود های سوپر فسفات استفاده می شود.
4- سوپر فسفریک اسید (SPA)
اگر درصد P2O5 بیش از 68/5 درصد باشد، دی هیدراسیون مولکولی آغاز شده و موجب تولید مقادیر مختلف مولکول های پلی فسفات می شود. معمولاً شامل 70 درصد P2O5 است. تقریباً تمام SPA در تولید کودهای مایع استفاده می شود.
5- اسید فیلتر شده
اسیدی که توسط فرآیند تَر تولید و از فیلتر بازیافت می شود (برای زدودن گچ به عنوان محصول جانبی)، یک محلول رقیق 30-28 درصد P2O5 است. این اسید فیلتر شده یا قبل از استفاده تغلیظ می شود و یا در تولید فسفات دی آمونیوم (DAP) استفاده می شود.
6- اسید سیاه
مقداری از مواد آلی موجود در بعضی سنگ های فسفات در حین اسیدی کردن، حل شده و حتی پس از فیلتراسیون گچ به صورت سوسپانسیون باقی می ماند. اسید حاصل که حاوی این ذرات کلوییدی پخش شده است، تیره یا سیاه می باشد. پس از تغلیظ به گرید تجاری اسید اورتو فسفریک (MGA) یا سوپر فسفریک (SPA) تبدیل می شود. این اسید معمولاً در تولید کودهای فسفاته استفاده می شود.
7- اسید سبز
اسید تَر تولید شده از سنگ فسفات کلسیم دار، معمولاً شامل کمتر از0/3 درصد جامدات معلق است و بنابراین به صورت شفاف (عبور دهنده نور) و به رنگ سبز دیده می شود. اگر اسید سبز تا 54 درصد P2O5 تغلیظ شود، عمدتاً در تولید فسفات های آمونیوم جامد استفاده می شود و در صورتی که 72- 68 درصد P2O5 داشته باشد، در تولید کود های مایع و غذای دام و طیور استفاده می شود.
8- گرید تجاری یا شفاف اسید (MGA)
این اسید همان اسید سبز یا سیاه (معمولاً 54-52 درصد P2O5) است که مقدار جامدات معلق آن کاهش یافته است ( کمتر از 2 درصد) این اسید عمده ترین اسید تجاری است.
9- اسید مرطوب خالص سازی شده
اسید فسفریک حاصل از روش تَر است که اکثر ناخالصی های آن توسط استخراج با حلال گرفته شده است. حلال ها معمولاً در آب غیر قابل حل می باشند، ولی استخراج می تواند توسط حلال های قابل حل در آب نیز انجام گیرد. در حال حاضر خالص سازی اسید فسفریک توسط ته نشینی ناخالصی ها نیز در دست بررسی است. این اسید خالص شده، برای بسیاری از مصارف غذایی و صنعتی قابل استفاده است.
10- اسید گرید خوراک دام و طیور
اسید هایی که حاوی مقدار بسیار کمی فلوئور، آرسنیک و فلزات سنگین هستند، در تولید خوراک دام و طیور استفاده می شوند.
11- اسید گرید خوراکی
اسید تولید شده از روش گرمایی با خلوص بالا است که محتوی مقدار بسیار کمی آرسنیک، فلوئور و فلزات سنگین است. این نوع اسید در مواد غذایی، نوشیدنی ها و خمیر دندان استفاده می شود.

موارد مصرف و کاربرد
اسید فسفریک (H3PO4) یک اسید غیر آلی است که پس از اسید سولفوریک بیشترین تولید و مصرف را در جهان دارد. این ماده به عنوان ماده میانی بین سنگ فسفات و مواد فسفاته محسوب شده و معمول ترین گرید تجاری اسید فسفریک، 23/7 درصد فسفر و یا 54 درصد، P2O5 دارد. تولید آن به روش فرآیند مرطوب یا فرآیند حرارتی است. اساس کار در فرآیند مرطوب به صورت زیر است:

↑Ca3(PO4)2.CaF2+ 10H2SO4 → 6H3PO4+ 10 CaSO4 + 2HF

محصولات جانبی این فرآیند؛ فسفو ژیپس که در اصلاح خاک به کار می رود. سولفات آمونیوم، فلوئورو سیلیکات سدیم (فلوئور دار کردن آب، خمیر شیشه و سفال، متالوژی، حشره کش و داروهای ضد جانوران جونده)، اسید فلوئوروسیلیسیک پیش ماده تولید فلوئورو سیلیکات های آمونیوم، کلسیم، مس، منیزیم، پتاسیم و سدیم می باشد.
اسید فسفریک علاوه بر کشاورزی، در شوینده ها، صنایع غذایی، نساجی، دارو سازی و دندانپزشکی نیز کاربرد دارد. از جمله صنایعی که مشتقات اسید فسفریک را مصرف می کند، صنایع الکترو شیمیایی و تصفیه آب است. همچنین اسید فسفریک به صورت مستقیم در محافظت از خوردگی آلیاژهای آهن و به عنوان کاتالیست در صنایع پتروشیمی کاربرد دارد.

در صد مصرف اسید فسفریک را در صنایع مختلف

حوزه مصرف	میزان مصرف (درصد)
تولید کود شیمیایی	83/3
صنایع غذایی، آبکاری، رنگ و داروسازی	7/8
خوراک دام و طیور	3/3
صنابع شوینده	5/6

همان گونه که در جدول مشاهده می شود، مهم ترین کاربرد فسفریک اسید در تولید انواع مختلف کودهای شیمیایی بوده، به طوری که 90 درصد مشتقات اسید فسفریک تولیدی در سطح جهانی نیز در تهیه کودهای شیمیایی مصرف می شود. 10 درصد باقی مانده در صنایع فلزی (جهت ایجاد لایه ضد زنگ بر روی ورقه های فلزی)، صنایع شیشه، داندانپزشکی، لاستیک سازی و صنایع پتروشیمی به کار می رود.

1- کاربرد در صنایع غذایی و خوراک دام و طیور

از فسفریک اسید در تولید غذا های اسیدی و نوشابه های گازدار مانند انواع نوشابه ها استفاده می شود. به کارگیری این ماده سبب دادن طعم تندی به غذا شده لذا این ماده شیمیایی با تولید انبوه و با قیمتی ارزان و حجمی فراوان در دسترس می باشد. همان طور که ذکر شد، قیمت پایین و حجم زیاد تولید این ماده، آن را در مقایسه با طعم دهنده های طبیعی نظیر زنجبیل برای ایجاد طعم تندی، یا اسید سیتریک که از لیمو (Lemon) و عصاره لیمو ترش (Lime) برای دادن طعم ترش به کار می رود، در رتبه بالاتری قرار داده است.

برای تامین فسفر و سایر مواد مغذی دیگر، از قبیل کلسیم و نیتروژن غیر پروتئینی، در خوراک دام و طیور از فسفات های گرید خوراکی استفاده می شود. مواد فسفاته مصرفی در خوراک دام و طیور به صورت کلسیم فسفات ها و اسید فسفریک، آمونیوم فسفات های جامد، فسفات سدیم و… هستند.

 

2- کاربرد در مواد پاک کننده

در تولید شوینده ها از اسید فسفریک به منظور عامل نرم کننده آب استفاده می شود. آب نرم فاقد یون های کلسیم و منیزیم بوده که عامل ایجاد کننده سختی در آب به شمار می روند. در صورت عدم حذف یون های ایجاد کننده سختی در آب، این یون ها با صابون تشکیل رسوب غیر قابل حل می دهند که سبب ایجاد لکه بر روی لباس ها در هنگام شستشو می شوند. نمک های فسفات حاصل از اسید فسفریک به طور گسترده ای در پاک کننده ها به عنوان (builder) به کار می رود. عمدتاً از ترکیبات فسفردار (مانند سدیم تری پلی فسفات) در مخلوط پاک کننده های جامد استفاد می شود. سدیم تری پلی فسفات (Na5P3O10) به عنوان نرم کننده آب، با یون های کلسیم و منیزیم پیوند برقرار می کند و تشکیل ترکیبات (کمپلکس یا کلیت) محلول را می دهد. این کمپلکس ها از واکنش یون های کلسیم و منیزیم با صابون ممانعت به عمل می آورند و منجر به عدم تشکیل رسوب می شود.

3- کاربرد در زدودن زنگ آهن

از اسید فسفریک می توان مستقیماً برای زدودن زنگ آهن (اکسید آهن) از ابزارهای آهنی یا فولادی و تبدیل آهن به فسفات های محلول در آب استفاده نمود. پس از زدودن آهن، فسفات آهن تولید شده تبدیل به ترکیب فسفات آهن سیاه شده که خود به عنوان عامل جلوگیری از خوردگی می تواند مورد استفاده قرار گیرد.

4- کاربرد در پزشکی

از فسفریک اسید در دندانپزشکی و اورتودنسی به عنوان عامل قلم زنی (Etching) جهت تمیز کردن و زبر کردن سطح دندان خصوصاً در جاهایی که از اسباب و وسایل دندانپزشکی استفاده شده، به کار می رود.

5- کاربرد در کشاورزی

بیشترین مصرف فسفریک اسید در تولید کودهای آمونیوم فسفات می باشد. آمونیوم فسفات ها نمک های غیر آلی هستند که از واکنش بین آمونیاک و اسید فسفریک حاصل می شوند. این نمک ها به صورت جامد و مایع تولید شده و ممکن است شامل مقادیری فسفات به شکل اورتو (معمولاٌ در حالت جامد) و یا پلی فسفات (معمولاٌ در حالت مایع) باشند. حدود 98 درصد از آمونیوم فسفات تولیدی در تهیه کودهای شیمیایی مورد استفاده قرار می گیرند. کودهای فسفاته پر مصرف ترین انواع کود بعد از کودهای نیتروژنی بوده به طوری که 90 درصد از مصرف فسفات ها را نیز به خود اختصاص داده است. فسفر یکی از ضروری ترین عناصر مورد نیاز گیاهان به شمار می رود.

فسفات های آلی ترکیباتی هستند که انرژی لازم برای بیشتر واکنش هایی که در سلول های زنده اتفاق می افتند را مهیا می کنند، بنابراین خاک های غنی با کودهای فسفاتی رشد گیاهان را بالا می برند. افزایش غلظت فسفات در سطح آب ها همچنین می تواند رشد گیاهان آبزی را نیز افزایش دهد.
ضافی کودهای شیمیایی می توانند باعث تحریک رشد گیاهان در آب های دریاچه ها و آب های جاری شوند. آب فاضلاب ها که حاوی فسفات است، می تواند تاثیر یکسانی داشته باشد. وقتی گیاهان آبزی با این شرایط مغذی بودن محیط، رشد می کنند پس از مدتی خواهند مُرد. حال این گیاهان مرده برای تجزیه، اکسیژن حل شده در آب را مصرف می کنند. این مصرف، سطح اکسیژن حل شده را کاهش می دهد تا نقطه ای که برای حمایت حیوانات آبزی کافی نیست. به منظور کاهش این گونه تهدید ها امروزه تلاش بر حذف ترکیبات فسفات از شوینده ها در اولویت قرار دارد. در بسیاری از موارد فسفات ها جای خود را با کربنات ها تعویض نموده اند.

6- مصارف صنعتی

اسید فسفریک عمدتاٌ در تولید سدیم فسفات ها و آمونیوم فسفات های جامد استفاده می شود. سدیم فسفات ها در تولید مواد موجود در شوینده ها (دترژنت ها) و مواد تصفیه کننده آب و آمونیوم فسفات های جامد، در مواد کنترل کننده آتش کاربرد دارند. از مصارف صنعتی دیگر اسید فسفریک، می توان به سلول های سوختی اسید فسفریک اشاره نمود. این سلول های سوختی مزایایی از قبیل دسترسی راحت و عملکرد کامل را دارند.

 

از آن جا که اسید فسفریک در تهیه کودهای فسفاته و همچنین تولید بسیاری از محصولات دارای پایه فسفر مورد استفاده قرار می گیرد، لذا تقریباً جایگزینی برای آن وجود ندارد. اسید فسفریک خوراکی به لحاظ خاصیت نگهدارندگی آن در محصولات غذایی می تواند جایگزین هایی مانند اسید سیتریک، اسید اسکوربیک و … را دارا باشد در صورتی که مشخصاً خاصیت نگهدارندگی آن مورد نظر باشد؛ اما در مواردی همچون حذف صمغ های موجود در روغن خام جایگزینی برای این اسید در نظر گرفته نمی شود. در صنایع نوشابه سازی اسید فسفریک هم به واسطه طعم دهندگی و هم نگهدارنده بودن مورد استفاده قرار می گیرد که در مقایسه با سایر اسیدهای قابل مصرف در صنایع غذایی مانند تارتاریک اسید، اسید سیتریک و اسکوربیک اسید از قدرت بیشتری برخوردار بوده و مقدار کمتری نسبت به سایر اسیدها می تواند مصرف شود.

فسفریک اسید مانند نیتریک اسید یکی از ترکیبات اولیه مهم در ساخت کودهای شیمیایی است. با افزایش روز افزون جمعیت جهان و نیاز فراران به تامین غذایی این جمعیت رو به رشد استفاده از کودهای شیمیایی یکی از مهم ترین عوامل حاصلخیزی خاک و تولید محصول بیشتر می باشد و با تقاضای روزافزون این گونه حاصلخیز کننده ها توسط کشاورزان و باغداران تولید مواد اولیه این کودها در مقیاس صنعتی و همچنین یافتن روش های نوین و بهتر برای تولید اقتصادی تر از دغدغه های شیمی صنعتی می باشد. با توجه به مصرف گسترده اسید فسفریک در صنایع کشاورزی به عنوان کود شیمیایی (83/3 درصد)، صنایع شوینده و بهداشتی (5/6 درصد)، خوراک دام و طیور (3/3 درصد) و صنایع غذایی، آبکاری، رنگ و دارویی (در مجموع 7/8 درصد) در جهان، نقش و اهمیت این ماده شیمیایی کاملاٌ مشخص می باشد. از طرفی به دلیل محدودیت در تامین ماده اولیه (سنگ فسفات) این اسید، صنایع بسیاری از کشورها این محصول را به عنوان یک محصول مهم و استراتژیک قلمداد می نمایند.

فسفریک اسید عمدتاً به دو روش تولید می شود:
فرآیند مرطوب (تَر)
روش مرطوب متداول ترین روش تولید اسید فسفریک به شمار می رود. اسید تولیدی در فرآیند تَر مستقیماً از سنگ معدن تهیه می گردد و معمولاً در حجم زیاد و با هزینه زیاد و درجه خلوص نه چندان بالا تولید می شود. این نوع اسید عمدتاً برای تولید کودهای شیمیایی فسفاته به کار می رود. در صورتی که این اسید خالص شود، از آن می توان برای تولید ترکیبات شیمیایی تجاری فسفات ها نیز استفاده نمود. در این فرآیند پس از خرد نمودن کانی فسفات توسط آسیاب های گلوله ای که حاوی مقداری اسید فسفریک رقیق می باشند، شیرابه حاصله با اسید سولفوریک 55 درصد به مخازن واکنش منتقل می شود. این مخازن مجهز به همزن های قوی می باشد و درجه حرارت واکنش به دقت کنترل می گردد. گازهای خروجی از راکتور به برج های جذب منتقل شده و در آنجا اسید فلوسیلیسیک (H2SiF6) به وسیله آب می تواند بازیابی شود. واکنشی که در راکتور انجام می شود به صورت زیر می باشد. همان گونه که مشاهده می شود علاوه بر اسید فسفریک، نمک سولفات کلسیم نیز بدست می آید.

↑3Ca3(PO4)2.CaF2 + 10H2SO4 + 10H2O → 6H3PO4 + 10 CaSO4.2H2O + HF

سپس شیرابه حاصل از راکتور ها به فیلترهای خلا دورانی افقی منتقل شده و در آنجا اسید فسفریک از ماده جامد (کیک) جدا می شود. کیک به دست آمده گچ (ژیپس) می باشد. اسید به دست آمده از فیلترها به وسیله تبخیر کننده ها یی که دارای مبدل های حرارتی می باشند تغلیظ می شود.

مواد غیر قابل استفاده ایجاد شده در حین فرآیند تولید اسید فسفریک به دو دسته تقسیم می شوند.

* پساب حاصل از شستشو و جداسازی کیک ژیپس (گچ)
* گازهای خروجی در مرحله هضم و تبخیر فرآیند تولید

اصلی ترین مواد آلاینده پساب را فسفات ها و فلوریدهای محلول تشکیل می دهند که پس از تخلیه پساب به حوضچه های بزرگ تصفیه، با اضافه نمودن آهک به صورت نمک های (فسفات و فلورید) کلسیم رسوب داده می شوند. البته با توجه به وسعت زیاد این حوضچه ها، مشکلات چندانی از نظر آلودگی آب وجود نخواهد داشت. گازهای خروجی از فرآیند در هر دو مرحله عنوان شده شامل مقادیری P2O5 و فلوئور می باشند (از مقدار کل فلوئور موجود در کانی فسفات (3/5 درصد) حدود 30 درصد در محصول، 16درصد در گاز خروجی مرحله هضم و 24 درصد در گاز خروجی مرحله تبخیر و 30 درصد در کیک فیلتر ژیپس توزیع می شود). این گازها با استفاده از یک تله آبی (Scrubbing Wet) قابل جذب بوده و به صورت جریان های اسیدی دفع می شوند. البته اسید فلوئوریک و اسید فلو سیلیسیک تولید شده در این مرحله در عملیات تکمیلی بعدی قابل بازیابی می باشند، اگرچه در بسیاری از واحدها این جریان های اسیدی نیز به حوضچه های بزرگ تصفیه منتقل می شوند. در صورتی که نیاز به تخلیه بخشی از آب این حوضچه ها باشد می بایستی حتماً جریان خروجی با افزودن آهک کنترل گردد.

روش آزمایشگاهی سنتز فسفریک اسید

 

فرآیند خشک (یا حرارتی)
در روش خشک یا حرارتی از فسفر عنصری به عنوان ماده اولیه استفاده می شود و از اسید تولید در روش تَر بسیار خالص تر و البته گران تر است. از اسید فسفریک تولید شده به روش خشک برای تهیه فسفات های سدیم، کلسیم، پتاسیم و آمونیوم استفاده می گردد.
این روش شامل احتراق فسفر و هیدراسیون P4O10 می باشد. مخلوط فسفر مایع و هوا به محفظه احتراق که شبیه برج است تزریق شده و با انجام واکنش اکسیداسیون فسفر P4O10، تولید می شود. جنس محفظه احتراق نوعی فولاد مخصوص است که با H3PO4 غیرفعال شده است. P4O10 به دست آمده را در برج بعدی هیدراته می کنند و بخارات باقی مانده P4O10 را واحد شستشو به اسید فسفریک رقیق تبدیل می کند. به علت وجود ترکیبات آرسنیک، اگر اسید به دست آمده در صنعت مواد غذایی استفاده شود، ناخالصی را با گاز H2S که از داخل محلول عبور می دهند، به صورت رسوب گرفته و بعد از صاف کردن اسید خالص را به دست می آورند.