Спосіб одержання однозаміщених фосфатів лужних металів

Изобретение относится к. технологии получения фосфорнокислых солей щелочных металлов и может быть использовано в химической промышленности для получения однозамещенных фосфатов щелочных металлов, а также в производстве сырья для оптических кристаллов фосфатной группы. Известен [13 способ получения однозамещенного (дейтерированного) фосфата калия для монокристаллов, который заключается в следующем. К раствору 85% - ной дейтерированной ортофосфорной кислоты приливали 45% - ный как имеет более низкую растворимость по сравнению с а растворимые примеси остаются в маточном растворе. Осадок отделяют от маточного раствора путем центрифугирования. Маточники фильтруют и возвращают в начало технологического процесса на растворение исходного поташа, бикарбонат подвергают декарбонизации, выдерживая в течение 1 часа при температуре 350 - 450°C, согласно реакции: раствор углекислого калия взятые в стехиометрическом соотношении или с избытком кислоты. Синтезированную соль кристаллизовали в процессе охлаждения пересыщенного раствора или при испарении растворителя В качестве исходного щелочного реагента использовали особой чистоты. В синтезированном при таких условиях продукте содержание примесей находилось на уровне 10-4 10-5мас.%. Нами воспроизведен этот способ с использованием ортофосфорной кислоты хч (ГОСТ 6552 - 80) и углекислого калия хч (ГОСТ 4143 - 78). Раствор 85% - ной ортофосфорной кислоты В процессе прокалки калий углекислый спекается, его необходимо размалывать и рассеивать. На этих стадиях продукт загрязняется примесями железа, марганца, никеля, титана, которые попадают из конструкционных материалов прокалочной печи, мельницы, сита. Кроме того в этой технологии многократно используются маточные растворы, которые также вносят загрязнения в продукт. В основу изобретения поставлена задача разрабатывать способ получения однозамещенных фосфатов щелочных металлов, в котором бы на основе использования доступных реактивов можно получать продукты с минимальным содержанием посторонних примесей. Решение задачи достигается тем, что способ получения однозамещенных фосфатов щелочных металлов, в том числе дейтерированных, включающий взаимодействие ортофосфорной кислоты с соответствующим щелочным реагентом, кристаллизацию раствора, отделение кристаллов с последующей сушкой полученного продукта, согласно изобретений в качестве щелочного реагента используют кислую углекислую соль бикарбонат соответствующего щелочного металла. Бикарбонаты являются промежуточными веществами в производстве углекислых солей щелочных металлов и содержат значительно меньше (в 2 - 4 раза) примесей по сравнению с конечными продуктами. Кроме того, технологический цикл производства значительно сокращается, если ограничивается стадией получения промежуточного продукта При этом исключаются такие трудоемкие процессы, как прокалка, размол, рассев, и связанные с ними загрязнения продукта примесями из конструкционных материалов. Согласно предлагаемому способу синтез однозамещенных фосфатов щелочных металлов проводят согласно следующим уравнениям реакции: приливали к 45% - ному раствору 4. Полученный пересыщенный до pH = раствор охлаждали до и кристаллизовали однозамещенный фосфат калия Содержание лимитируемых примесей в продукте составило (мас.%): железо - 5 × 10-4; тяжелые металлы , кальций, магний 1 × 10-3; хлориды - 5 × 10-4; сульфаты - 3 × 10-3. Продукт такого качества не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к сырью для монокристаллов и других специальных отраслей техники. Воспроизвести способ с применением реактива осч не возможно, так как в настоящее время продукт такой квалификации в странах СНГ не производят. Описанный способ выбран в качестве прототипа. Недостатком способа-прототипа является то, что в качестве исходного щелочного реагента при синтезе однозамещенного фосфата используется углекислая соль соответствующего щелочного металла, например В этом реактиве (ГОСТ 4143 - 78) содержится значительное количество примесей (10-2 - 10-3мас.%). Низкое качество карбоната калия связано с особенностями его технологии. реактивной квалификации получают путем очистки технического поташа. Поташ растворяют в дистиллированной воде, получают раствор удельного веса 1,5г/см3, его фильтруют и подвергают карбонизации. Для этого раствор насыщают углекислым газом, в результате чего образуется кислый углекислый калий (бикарбонат) по реакции: Кислая соль выпадает в осадок, так где: Для синтеза по уравнению (3) используют дистиллированную воду, а по уравнению (4) тяжелую воду Готовят раствор бикарбоната в простой или тяжелой воде при нагревании до 70 - 80°C. Затем раствор нейтрализуют ортофосфорной кислотой (или дейтерированной ортофосфорной кислотой) до pH = 3 - 4. При этом образуется согласно уровню (3) или (4) насыщенный раствор однозамещенного фосфата. Раствор охлаждают при перемешивании до при этом кристаллизуется соль однозамещенного фосфате. Кристаллы отделяют от маточного раствора и сушат при t = 95 ± 5°C до постоянного веса. Выход готового продукта составляет около 70% от теоретического. Конкретные параметры синтеза и результаты по качеству полученных продуктов приведены ниже в примерах 1, 2, 3 и в таблице. Пример 1. В реактор с мешалкой и обогревом загружают 18л дистиллированной воды, нагревают до 70 ± 5°C и добавляют при перемешивании 15кг бикарбоната калия (ГОСТ 4143 - 78). Суспензию перемешивают в течение 15мин и затем в реактор приливают 80% - ный раствор ортофосфорной кислоты хч до pH = 3 - 4. Получают раствор насыщенный при температуре 70 - 80°C, охлаждают его до температуры, 20 ± 5°C при этом кристаллизуется соль Кристаллы отделяют от маточного раствора и сушат при температуре 95 ± 5°C. Выход готового продукта 14кг (70% от теоретического). Содержание примесей в продукте составляет (мас.%): железо - 5 × 10-5; алюминий - менее 1 × -4, свинец, медь, никель, молибден, кобальт, хром - (1 - 5) × 10-6 и (каждого): кальций, магний, цинк - (3- 5) × 10-5, хлориды - 1 × 10-4%. Продукт такого качества соответствует требованиям, предъявляемым к соли которая используется как исходное сырье при выращивании водорастворимых электрооптических монокристаллов фосфатной группы. Пример 2. В реактор с мешалкой и обогревом заливают 18л дейтерированной дистиллированной воды (99,8% D), нагревают до 70 ± 5°C и добавляют при перемешивании 15кг бикарбоната калия (хч). Суспензию перемешивают в течение 15мин., затем в реактор приливают 80% - ную дейтерированную ортофосфорную кислоты до pH = 3 - 4. Полученный насыщенный раствор охлаждают до температуры 20 ± 5°C, при этом кристаллизуется соль Кристаллы отмывают от маточного раствора и сушат при температуре 95 ± 5°C. Выход готового продукта 14кг (70% от теоретического), содержание дейтерия не менее 95,0%. Маточный раствор упаривают под вакуумом, пары конденсируют и конденсат используют повторно для растворения следующей порции бикарбоната. Содержание примесей в готовом продукте составляет (мас.%): железо - 5 × 10-5; алюминий - менее 1 × 10-4; свинец, медь, никель, молибден, кобальт, хром - (1 - 5) × 10-6 каждого, кальций, магний, цинк - (3 - 5) × 10-5; хлориды менее 1 × 10-4. Продукт такого качества соответствует требованиям к сырью для дейтерированных монокристаллов фосфатной группы. Пример 3. В реактор с мешалкой и обогревом загружают 1,5л дистиллированной воды и 1,5кг бикарбоната рубидия. К раствору при перемешивании приливают 80% ную ортофосфорную кислоту до pH = 3 - 4. Далее полученный раствор упаривают до остаточного объема около 0,5л, отключают нагрев и охлаждают до 25 ± 5°C. Выпавшие кристаллы отжимают от маточного раствора и сушат при t = 90 ± 5°C. Выход готового продукта 1,2кг (около 70% от теоретического). Содержание примесей в полученном по данному способу составляет (мас.%): железо 5 × 10-5; тяжелые металлы (1 - 5) × 10-6; кальций, алюминий - менее 1 , 10-4; магний, барий - менее 5 × 10-4. Содержание указанных примесей не превышает норм, установленных на сырье для монокристаллов фосфатной группы. Преимущество предлагаемого способа по сравнению с прототипом заключается в следующем. В процессе синтеза однозамещенных фосфатов щелочных металлов используются бикарбонаты. Бикарбонаты щелочных металлов получают как промежуточные продукты в производстве соответствующих углекислых солей (карбонатов). Если процесс заканчивать на стадии получения бикарбоната, то значительно сокращается технологический цикл, так как отпадает необходимость проводить процессы декарбонизации (путем прокаливания), обезвоживания кристаллогидрата измельчения спеков карбоната и его рассев. А именно на этих стадиях продукт загрязняется примесями железа и тяжелых металлов, которые попадают из конструкционных материалов применяемого для этих процессов оборудования. Поэтому промежуточный продукт - бикарбонат получается более чистым по химическому составу, чем карбонат. Использование реактива такого качества при синтезе фосфатов позволяет получать однозамещенные фосфаты щелочных металлов высокой степени чистоты, чего не удается сделать при использовании карбоната реактивной квалификации (ч, чда, хч). Сравнительные данные представлены в таблице. Также следует принять во внимание тот факт, что выпуск гидроксидов и карбонатов щелочных металлов высокой степени чистоты в странах СНГ в настоящее время не осуществляется. Следовательно замена отсутствующих высокочастотных реактивов на доступные и дешевые бикарбонаты щелочных металлов позволяет в условиях предлагаемого способа организовать выпуск особо чистых однозамещенных фосфатов щелочных металлов и обеспечить потребность для реализации отраслей техники, в том числе для выращивания электрооптических монокристаллов. По данному способу получены опытные партии продуктов и переданы для выращивания монокристаллов.