影响磷酸一铵中水不溶物沉降速率的因素探究

杨心师，陈红琼，杨 欢，马 航

（云南云天化以化磷业研究技术有限公司，云南 昆明 650228）

某公司以湿法磷酸和渣酸为原料，采用传统法［1］制备的两种10-50-0 磷酸一铵（以下简称MAP 1#、MAP 2#）在水溶液中水不溶物沉降速率较快，以其为原料生产出的NPK复合肥在采用喷灌施肥时容易堵塞喷灌设施，给农户施肥带来不便。而以湿法磷酸为原料采用料浆法［2-3］生产的同养分磷酸一铵（以下简称MAP 3#），其在水溶液中的水不溶物沉降速率较慢，能持续悬浮一定时间，不影响喷灌施肥。为探究其原因，对这3种同养分的MAP进行分析。

1.1 磷酸一铵主要化学成分分析

3 种同养分磷酸一铵的主要化学成分见表1。由表1可知，MAP 3#的硫酸根含量较低，氟、水不溶物和氧化铝含量较高。MAP 2#的硫酸根、氧化铁和氧化镁含量较高。MAP 1#除了硫酸根含量较高以外，其余杂质含量均较低。3个样品中，MAP 1#品质最好。

表1 3种同养分MAP的主要化学成分 %

1.2 磷酸一铵筛析结果和粒度分布

3 种同养分磷酸一铵的粒度筛析结果见表2，粒度分布见表3。布呈两极分化，0.150～＜0.355 mm的颗粒占比明显低于MAP 3#。由表3可知，MAP 3#的体积平均粒径为291.787 μm，d90为457.670 μm，＜0.500 mm的颗粒占比为98.39%，比表面积最小，为0.024 1 m2/g。

表2 3种同养分MAP的粒度筛析结果

表3 3种同养分MAP粒度分布结果

比表面积大，颗粒与溶液的接触面积也大，溶解反应性好。所以，单纯以比表面积来看，MAP 3#的溶解性并不比MAP 1#和MAP 2#好，但MAP 1#和MAP 2#在溶解速率快的同时，大部分水不溶物与溶液快速分离沉淀下来；
而MAP 3#溶解后大部分水不溶物悬浮于溶液中，沉降速率较慢，这可能与MAP的杂质含量有一定关系。

1.3 磷酸一铵堆密度和振实密度

3 种同养分磷酸一铵的堆密度和振实密度见表4。堆密度为手动装样后称量计量所得，振实密度［4］为称取样品约10 g，机器震荡3 000 次后计算所得。从表4可以看出，MAP 3#的堆密度和振实密度比MAP 1#和MAP 2#小，因此MAP 3#的单位颗粒相对较轻。

表4 3种同养分MAP的堆密度和振实密度

2.1 磷酸一铵水不溶物沉降速率

称取相同质量的磷酸一铵样品，配成质量分数5%的水溶液，搅拌5 min后迅速倒入量筒中并开始计时，记录不同沉降时间的底层固相高度，结果见图1。MAP水溶液的高度为177 mm，量筒直径为26 mm。

图1 3种同养分MAP的沉降实验结果

由于MAP 的水不溶物含量不同，最终的沉淀高度不同。由图1可知，MAP 3#水不溶物沉淀达到最大高度用时14 min，此后沉淀在重力作用下逐渐堆积紧密，出现沉淀高度随时间延长先增长后下降的现象，这也说明了MAP 3#的颗粒较细较轻。MAP 1#和MAP 2#水不溶物沉淀达到最大高度分别用时7 min和6 min，且后续沉淀堆积紧密的现象不明显。由表1可知，MAP 3#中的硫酸根含量较低，氟含量和氧化铝含量较高；
硫酸根会与阳离子（例如钙离子等）形成容易沉降的沉淀，同时，氟和铝易形成悬浮状化合物。所以猜测MAP 3#中水不溶物在水中沉降速率较慢与其硫酸根含量低、氟和铝含量高有一定关系。同时，MAP 3#的颗粒均匀、密度较小，是部分水不溶物能在一定时间内悬浮于水溶液中的原因之一。

2.2 颗粒细度对磷酸一铵水不溶物沉降速率的影响

称取粒径＜0.180 mm 的MAP 1#，按2.1 节的实验方法，进行沉降实验，结果见图2。由图2 可知，MAP 1#水不溶物沉淀达到最大高度用时为7 min；
而粒径＜0.180 mm 的MAP 1#水不溶物沉淀达到最大高度用时为9 min，且在6 min内，其沉淀高度始终小于MAP 1#，说明降低颗粒细度有利于减缓水不溶物的沉降速率。MAP颗粒越细，其水不溶物也越细，沉降速率越慢。

图2 颗粒细度对MAP 1#沉降速率的影响

2.3 搅拌时间对磷酸一铵水不溶物沉降速率的影响

称取2 份相同质量的MAP 1#，配成质量分数5%的水溶液，分别搅拌5 min和2 h后按2.1节的方法进行沉降实验，考察延长搅拌时间对MAP 溶解后水不溶物沉降速率的影响，结果见图3。

图3 搅拌时间对MAP沉降速率的影响

由图3可知，搅拌5 min 和2 h 的MAP 1#，水不溶物沉淀达到最大高度的用时均为7 min，两条沉淀高度随时间变化的曲线无明显差别，说明延长搅拌时间对MAP水不溶物的沉降速率没有影响。

3.1 磷酸一铵水不溶物主要化学成分分析

3 种同养分磷酸一铵水不溶物主要化学成分分析结果见表5。由表5 可知，MAP 3#水不溶物的硫酸根含量最低，氟含量最高。所以，水不溶物沉降速率与其杂质含量有一定的关系。

表5 3种同养分MAP水不溶物主要化学成分分析结果 %

3.2 磷酸一铵水不溶物粒度分布

MAP 3#水不溶物粒度分布结果见表6。从表6可以看到，MAP 3#水不溶物的体积平均粒径为6.004 μm，表面积平均粒径为2.531 μm，其粒径远小于MAP 1#和MAP 2#的水不溶物，比表面积为2.37 m2/g，大于MAP 1#和MAP 2#的水不溶物。

表6 MAP 3#水不溶物粒度分布结果

比表面积包括外比表面积和内比表面积，外比表面积与颗粒细度有关且比较固定，内比表面积则与颗粒内部的孔隙率有关，所以，一般比表面积的差异表现在内比表面积上，比表面积大的颗粒内比表面积也大，吸附性越强，颗粒悬浮性也越好。

3.3 磷酸一铵水不溶物X射线衍射分析

3 种同养分磷酸一铵水不溶物的X 射线衍射（XRD）分析结果见图4。由图4 可知，MAP 1#和MAP 2#水不溶物的出峰位置相似，但不同于MAP 3#水不溶物的出峰位置。这表明MAP 1#和MAP 2#的水不溶物结构类似，但区别于MAP 3#水不溶物的物质组成结构。

图4 MAP水不溶物的XRD分析

由于湿法磷酸中含有钙、镁、铝、铁、硫酸根和氟等杂质，这些杂质在氨化过程中会发生一系列复杂的副反应，生成不同的化合物。化合物不同，其物理和化学表现必然有区别。因此，3种MAP水不溶物含有的化合物种类需要进一步研究。

MAP 3#以湿法磷酸为原料，采用料浆法生产；
而MAP 1#和MAP 2#以湿法磷酸和渣酸为原料，采用传统法生产。由于原料杂质含量不同以及制备工艺不同，导致：（1）MAP 和MAP 水不溶物的杂质含量不相同。MAP 3#水不溶物的硫酸根含量低，可能形成的硫酸盐沉淀较少；
而MAP 3#中的F、Al2O3含量相对高，可能形成易悬浮于水溶液中的化合物。（2）MAP 和MAP 水不溶物的颗粒细度不相同。MAP 3#及其水不溶物的颗粒细度要更均匀一些。（3）MAP 的密度不相同。MAP 3#的颗粒密度较小。（4）MAP 水不溶物的物质组成结构不相同。（5）MAP 3#水不溶物的粒径比MAP 1#和MAP 2#水不溶物小，比表面积比MAP 1#和MAP 2#水不溶物大。颗粒比表面积大，意味着颗粒与溶液的接触面积大，吸附能力强，在溶液中分布更均匀，更容易悬浮。

综上所述，MAP 水不溶物在水溶液中沉降速率的快慢是由MAP 及其水不溶物的杂质含量、颗粒大小、密度及组成结构等因素综合决定的。

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