磷酸二氢钾的用途和制法

背景及概述^[1]

磷酸一钾又名磷酸二氢钾、一代磷酸钾、S⍥rensen’spotassiumphosphate。无色斜方或四方晶系晶体。相对分子质量136.09。相对密度2.338。熔点252.6℃。折射率1.5095(20℃)。在干燥空气中稳定，可潮解。加热至200℃时开始脱水，在240～260℃转变成偏磷酸钾(KPO3)n。熔融时呈透明玻璃状。不溶于乙醇，溶于水(0℃时14.8、10℃时18.3、20℃时22.6、25℃时25.1、30℃时28.0、40℃时33.5、60℃时50.1、80℃时70.4、90℃时83.5)。浓度为1%的水溶液pH=4.6。

用途^[2]

磷酸二氢钾在工业、农业、医药、食品行业均有广泛的应用。在工业上，常用于细菌培养剂，制作酵母培养剂。在农业上，磷酸二氢钾是一种高浓度的高效磷钾复合肥，因其具有营养成分高(P、K有效成分>90%)，化学性质稳定，无嗅，无味，无毒，易溶于水，不结块，因而适用于各种土壤和作物。在食品添加剂中磷酸二氢钾是食品磷酸盐重要品种之一，用作品质改良剂、发酵促进剂、调味剂、缓冲剂以及与磷酸氢二钾并用作膨松剂。在饲料添加剂中用作补充磷与钾的矿物质元素添加剂，特别是在鱼饲料中普遍应用。

1. 农业

磷酸二氢钾是一种高浓度的磷钾复合肥、优质无氯钾肥，既提供磷也提供钾，适用于各种土壤和作物。它具有营养成分高，w(P2O5)为52%，w(K2O)为34%，养分H2PO4和K+可全部被农作物吸收，不含杂质和残渣。磷酸二氢钾的盐值极低，是理想的叶施肥料。加之它施用量少，能广泛用于浸种、浸根、药物拌种、浇灌和叶面喷施，对农作物加速灌浆、促进代谢、抵御干热风及防止倒伏等方面均有显著效果。用作农作物底肥及农作物中后期叶面喷肥，广泛施用于各种粮食、经济作物及瓜果、蔬菜等(如：水稻、小麦、玉米、甘蔗、大豆、棉花、亚麻、水果、蔬菜和烟草等各种作物)，尤其适用于烟草、柑橘、茶叶等忌氯作物，是农业部指定推广发展的优良化肥品种。近年来，不仅发现磷酸二氢钾的显著增产、抗旱、耐寒作用，而且还发现其对防治作物病虫害也有特殊作用。因而近年来得到了迅速发展和广泛应用。我国磷酸二氢钾较广泛用于瓜果、蔬菜、烟草等作物的喷灌，这类消费多集中在东北、新疆、内蒙古等地。据估计，我国在农业方面磷酸二氢钾的用量约为5万～6万t/a。预计，今后5年农用磷酸二氢钾的用量将达到8万t/a。

2. 化学工业

在化学工业中，磷酸二氢钾有广泛的应用。可用于制造偏磷酸钾和其它钾盐的原料；酿造酵母的培养剂、强化剂、膨松剂和发酵助剂等。发酵工业中，用作细菌培养剂、缓冲调节剂和营养剂，主要用于味精、酒、酒精、柠檬酸、酶制剂、酵母、淀粉和糖等的生产。工业级的磷酸二氢钾主要用于以上各方面的生产。我国磷酸二氢钾在化学工业中的用量约为3万～4万t/a。预计，今后5年化学工业磷酸二氢钾的用量将达到5万t/a。

3. 医药工业

在医药上，磷酸二氢钾用作细菌培养剂；用于使尿酸化，作营养剂；还用于青霉素、土霉素、鸡苷等的生产。河北华润药业有限公司在现有医药级磷酸二氢钾500t/a的基础上招标拟扩产至10000t/a。河北省作为医药生产基地，对该产品的需求量潜力很大。据初步测算，仅河北省内医药行业磷酸二氢钾的年消费量就达8000t。内蒙古托克托华奥化工有限公司的1.5万t/a磷酸二氢钾项目就是配合石药集团生产而建设的。全国医药行业磷酸二氢钾的年消费量约为1.2万t。预计，今后5年医药行业磷酸二氢钾的用量将达到2万t/a。

4. 食品工业

在食品工业中，磷酸二氢钾用于烘焙食品的添加剂和营养调味添加剂，主要用于制造烘焙物、味精、发酵粉等。该领域一般使用食品级的磷酸二氢钾。全国在食品领域消费磷酸二氢钾约为1.5万t/a。预计，今后5年食品工业磷酸二氢钾的用量也将有所增加。

5. 饲料工业

在饲料工业中，磷酸二氢钾主要用作补充磷与钾的矿物质元素添加剂，特别是在鱼饲料中普遍应用。随着近年来鱼饲养业的迅速发展，作为鱼饲料添加剂的用量较快上升，磷酸二氢钾在该领域的用量也将有所增加。

制法^[3]

目前，国内外磷酸二氢钾的生产方法很多，主要有中和法、萃取法、复分解法、离子交换法、直接法、电解法、结晶法和P.K.F.法等。

1）中和法。中和法是根据酸碱中和原理利用高浓度的热法磷酸与氢氧化钾或碳酸钾进行中和反应生成磷酸二氢钾。工艺流程：将氢氧化钾或碳酸钾配成质量分数约为30%的溶液，在不断搅拌下逐渐加入质量分数约为50%的热法磷酸，控制反应温度为80~100℃、反应液pH为4~5，反应完毕后经过滤、加热浓缩、冷却结晶、离心分离、干燥得到磷酸二氢钾，结晶母液返回浓缩工序回用。反应原理：

优点：工艺流程短，技术成熟，操作简单，产品质量好，能耗少。缺点：生产成本高，推广应用受到很大限制。

2）萃取法。萃取法是根据某种物质在不同溶剂中具有不同的溶解度，在相际传递过程中能够选择性地使用某种溶剂萃取分离制备磷酸二氢钾的一种方法。该方法分为无机萃取法和有机萃取法。无机萃取法由于技术不够成熟，制得的磷酸二氢钾纯度不高，因此难以推广应用。有机萃取法相对比较成熟，是工业化生产中制备精制磷酸二氢钾常用的方法之一，产品磷酸二氢钾质量分数高达99%以上。有机溶剂萃取法是以H3PO4、KCl为原料，利用有机萃取剂的选择性对H3PO4或HCl进行萃取。反应原理：

优点：能耗低，得到的磷酸二氢钾产品质量较好。缺点：磷的回收率低，而且有机溶剂价格昂贵、回收困难，对环境有一定的污染，不环保。

3）复分解法。复分解法是利用KCl中的K+与正磷酸盐MH2PO4（M可以是Na+或NH4+）中的H2PO4-通过复分解反应制得KH2PO4。反应原理：

产物KH2PO4可以根据MCl-KH2PO4-H2O系统相图分离出来。所用原料不同，工艺条件也有差异。优点：生产设备与操作方法简单，生产成本较低，环保无污染。缺点：产品质量较差，只可农用。

4）离子交换法。离子交换法通常是利用氯化钾溶液通过苯乙烯系阳离子（或阴离子）交换树脂从溶液中吸附相应的阴阳离子，然后再将磷酸二氢铵溶液通过树脂进行置换，使得K+和H2PO4-转移至同一侧结合，从而得到磷酸二氢钾溶液。再将磷酸二氢钾溶液先后经过加热浓缩、冷却结晶、离心分离、干燥得到成品磷酸二氢钾，结晶母液返回浓缩工序回用。反应原理：

优点：原料廉价，与中和法相比成本降低1/3。缺点：水蒸发量大，能耗高，且树脂价格昂贵，一次性投资较大。

5）直接法。国内外普遍认为直接法是非常经济的一种生产磷酸二氢钾的方法，是因为该法可以直接地充分利用磷矿中的磷转化为磷酸和磷酸二氢钾。以色列、美国、日本及法国等国相继对此法展开了研究并有所发展。与其他方法相比，该法原料廉价很多，而且方法直接简单。该法是以磷矿、硫酸、氯化钾为原料，先利用氯化钾和硫酸制取硫酸氢钾，再利用过量的硫酸和硫酸氢钾与磷矿粉在某一条件下反应得到磷酸与磷酸二氢钾的混合物，最后经加热浓缩再用甲醇沉淀分离磷酸，得到粗产品磷酸二氢钾。

6）电解法。电解法通常是利用氯化钾（或硫酸钾）和磷酸为原料，在电解槽中通过电解和复分解两步反应，H2PO4-或K+选择性透过离子交换膜得KH2PO4。步发生电解，阴极和阳极分别产生高纯度的氢气和氯气；第二步发生复分解反应，K+和H2PO4-结合得到KH2PO4。反应原理：

优点：工艺流程短且简单，对设备腐蚀弱，得到的磷酸二氢钾产物纯度很高。缺点：对环境有轻微的污染，很多技术难题需克服，目前只适宜小规模生产。

7）结晶法。结晶法是利用不同温度下KH2PO4在H3PO4-KH2PO4-KCl-H2O系统中溶解度的不同来得到磷酸二氢钾晶体，通常是利用KCl与热法磷酸直接反应制得。反应原理：

在反应过程中不断抽走氯化氢气体，化学反应平衡向右移动，使得化学反应不断向右进行。优点：生产成本优于中和法，生产成本较低。缺点：对设备具有较强的腐蚀性，一次性投资较大，对环境有一定的污染，且得到的产品质量较差。

8）P.K.F法。P.K.F法是以磷矿、钾盐、氟硅酸为原料，利用磷矿中主要金属杂质（如Ca、Al、Fe、Mg等）的氟化物一般都难溶于水，从而进行磷酸二氢钾的制备与分离，在生产磷酸二氢钾的同时又实现了主要金属杂质的一次性排除。反应原理：

主要参考资料

[1] 实用精细化工辞典

[2] 我国磷酸二氢钾现状及前景展望

[3] 磷酸二氢钾生产方法现状及发展前景