ฟอสโฟริค

1.คุณสมบัติทางเคมีและกายภาพ

1.1 เอกลักษณ์ทางเคมี

• ชื่อสามัญ: กรดฟอสฟอริก (กรดออร์โธฟอสฟอริกเป็นรูปแบบที่พบมากที่สุด)
• ชื่อทางเคมี (IUPAC): กรดออร์โธฟอสฟอริก (มักเรียกสั้นๆ ว่ากรดฟอสฟอริก)
• หมายเลขทะเบียน CAS: 7664-38-2
• ประเภททางเคมี: กรดแร่, กรดอนินทรีย์
• สูตรโมเลกุล: H₃PO₄
• น้ำหนักโมเลกุล: 98.00 กรัม/โมล
• รูปแบบอื่นๆ:
  • นอกจากกรดออร์โธฟอสฟอริก ยังมีกลุ่มกรดฟอสฟอริกอื่นๆ เช่น กรดไพโรฟอสฟอริก (H₄P₂O₇) และกรดไตรฟอสฟอริก (H₅P₃O₁₀) ซึ่งเป็นโอลิโกเมอร์ของกรดออร์โธฟอสฟอริก อย่างไรก็ตาม "กรดฟอสฟอริก" มักหมายถึงกรดออร์โธฟอสฟอริก

1.2 คุณสมบัติทางกายภาพที่สำคัญ (กรดออร์โธฟอสฟอริก)

• ลักษณะ:
  • รูปแบบบริสุทธิ์ที่ไม่มีน้ำ: ของแข็งผลึกสีขาว
  • รูปแบบเชิงพาณิชย์ทั่วไป: ของเหลวใส ไม่มีสี ไม่มีกลิ่น มีลักษณะหนืด (มักเป็นสารละลายน้ำ 85% หรือ 75%)
• จุดหลอมเหลว: 42.35°C (สำหรับของแข็งที่ไม่มีน้ำ) สารละลายน้ำมีจุดเยือกแข็งต่ำกว่า
• จุดเดือด: สลายตัวที่อุณหภูมิสูง (เหนือ 213°C สูญเสียน้ำกลายเป็นกรดไพโรฟอสฟอริก) สารละลาย 85% ทั่วไปเดือดที่ประมาณ 158°C
• ความหนาแน่น:
  • ของแข็งที่ไม่มีน้ำ: ประมาณ 1.83 - 1.88 กรัม/ซม.³
  • สารละลายน้ำ 85%: ประมาณ 1.685 กรัม/ซม.³ ที่ 25°C
• ความสามารถในการละลาย: ผสมกับน้ำได้ทุกสัดส่วน ละลายในเอทานอล

1.3 คุณสมบัติทางเคมีที่สำคัญ

• ความเป็นกรด: กรดฟอสฟอริกเป็นกรดไตรโปรติก หมายความว่าสามารถให้โปรตอน (H⁺) ได้สามขั้นตอน
  • pKa1 = 2.15 (H₃PO₄ ⇌ H₂PO₄⁻ + H⁺)
  • pKa2 = 7.20 (H₂PO₄⁻ ⇌ HPO₄²⁻ + H⁺)
  • pKa3 = 12.37 (HPO₄²⁻ ⇌ PO₄³⁻ + H⁺)
  • เป็นกรดที่มีความแรงปานกลางในขั้นตอนแรก และเป็นกรดอ่อนในขั้นตอนที่สองและสาม
• ความไวต่อปฏิกิริยา:
  • ทำปฏิกิริยากับเบสเพื่อสร้างเกลือฟอสเฟต (ไดไฮโดรเจนฟอสเฟต, ไฮโดรเจนฟอสเฟต และฟอสเฟต)
  • ทำปฏิกิริยากับโลหะที่มีความไว (เช่น สังกะสี, เหล็ก) เพื่อผลิตก๊าซไฮโดรเจนและเกลือฟอสเฟต
  • สามารถทำหน้าที่เป็นสารดูดน้ำในความเข้มข้นและอุณหภูมิสูง
  • สามารถเกิดพอลิเมอร์เมื่อถูกให้ความร้อนจนกลายเป็นกรดโพลีฟอสฟอริก
• ความกัดกร่อน:
  • กัดกร่อนโลหะหลายชนิด โดยเฉพาะในความเข้มข้นและอุณหภูมิสูง มีความกัดกร่อนน้อยกว่ากรดแรง เช่น กรดซัลฟิวริกหรือกรดไฮโดรคลอริกในความเข้มข้นที่ใกล้เคียงกัน

2.เทคโนโลยีการผลิต

2.1 กระบวนการผลิตหลัก

• กระบวนการเปียก (WPPA - Wet Process Phosphoric Acid):
  • วิธีที่พบมากที่สุดสำหรับการผลิตกรดฟอสฟอริกเกรดปุ๋ย (มักเรียกว่า "กรดเขียว" หรือ "กรดเกรดพาณิชย์")
  • เกี่ยวข้องกับการทำปฏิกิริยาระหว่างหินฟอสเฟต (ส่วนใหญ่เป็นแคลเซียมฟอสเฟต เช่น อะพาไทต์) กับกรดซัลฟิวริก
  • ปฏิกิริยา: Ca₅(PO₄)₃F (ฟลูออโรอะพาไทต์) + 5H₂SO₄ + 10H₂O → 3H₃PO₄ + 5(CaSO₄·2H₂O) (ยิปซัม) + HF
  • ผลิตกรดที่เจือจางและไม่บริสุทธิ์ (โดยทั่วไปมี P₂O₅ 28-32%) ซึ่งจะถูกทำให้เข้มข้นขึ้น (เป็น P₂O₅ 40-55%) และอาจผ่านการทำให้บริสุทธิ์บางส่วน
  • สร้างผลพลอยได้จำนวนมากคือฟอสโฟยิปซัม ซึ่งก่อให้เกิดความท้าทายในการกำจัด
• กระบวนการความร้อน (TPPA - Thermal Process Phosphoric Acid):
  • ผลิตกรดฟอสฟอริกที่บริสุทธิ์มากกว่า เกรดอาหารหรือเกรดเทคนิค
  • ฟอสฟอรัสธาตุ (P₄) ถูกเผาในอากาศเพื่อผลิตฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์ (P₂O₅)
  • P₄ + 5O₂ → P₄O₁₀ (หรือ 2P₂O₅)
  • ฟอสฟอรัสเพนทอกไซด์จะถูกทำให้เกิดปฏิกิริยากับน้ำเพื่อสร้างกรดฟอสฟอริก
  • P₄O₁₀ + 6H₂O → 4H₃PO₄
  • กระบวนการนี้ใช้พลังงานมากกว่าและมีค่าใช้จ่ายสูงกว่ากระบวนการเปียก เนื่องจากการผลิตฟอสฟอรัสธาตุในเตาไฟฟ้า

2.2 วัตถุดิบ

• กระบวนการเปียก:
  • หินฟอสเฟต (เกรดต่างๆ ของอะพาไทต์)
  • กรดซัลฟิวริก (H₂SO₄)
  • น้ำ
• กระบวนการความร้อน:
  • ฟอสฟอรัสธาตุ (P₄) - ผลิตจากหินฟอสเฟต, โค้ก และซิลิกาในเตาไฟฟ้า
  • อากาศ (ออกซิเจน)
  • น้ำ (มักเป็นน้ำบริสุทธิ์สูงสำหรับเกรดอาหาร)

2.3 การทำให้บริสุทธิ์และการเพิ่มความเข้มข้น

• กรดจากกระบวนการเปียก:
  • การเพิ่มความเข้มข้น: โดยทั่วไปทำโดยการระเหยเพื่อเพิ่มปริมาณ P₂O₅ (เช่น จาก ~30% เป็น ~54% P₂O₅ ซึ่งประมาณ 75% H₃PO₄)
  • การทำให้บริสุทธิ์: อาจรวมถึงการสกัดด้วยตัวทำละลาย (เช่น MIBK หรือ TBP) เพื่อกำจัดสิ่งเจือปน เช่น โลหะหนัก, สารหนู, ฟลูออรีน และสารอินทรีย์ โดยเฉพาะอย่างยิ่งหากต้องการเกรดที่สูงขึ้น (เช่น เกรดเทคนิค) การกำจัดฟลูออรีนเป็นขั้นตอนที่พบบ่อย
• กรดจากกระบวนการความร้อน:
  • โดยทั่วไปให้กรดที่มีความบริสุทธิ์สูงโดยตรง ขั้นตอนการทำให้บริสุทธิ์เพิ่มเติมมีน้อย แต่สามารถรวมถึงการบำบัดด้วยถ่านกัมมันต์หรือการแลกเปลี่ยนไอออนสำหรับการใช้งานที่ต้องการความบริสุทธิ์สูงมาก (เช่น อาหาร, ยา)
  • การเพิ่มความเข้มข้นถูกควบคุมโดยปริมาณน้ำที่ใช้ในการทำให้เกิดปฏิกิริยา

2.4 เกรดของกรดฟอสฟอริก

• เกรดปุ๋ย (เกรดการเกษตร):
  • ผลิตโดยกระบวนการเปียก มีความบริสุทธิ์น้อยกว่า ใช้สำหรับการผลิตปุ๋ยฟอสเฟตเป็นหลัก (เช่น DAP, MAP, TSP) โดยทั่วไปมี P₂O₅ 40-55%
• เกรดเทคนิค:
  • บริสุทธิ์กว่าเกรดปุ๋ย สามารถผลิตได้โดยการทำให้กรดจากกระบวนการเปียกบริสุทธิ์หรือโดยกระบวนการความร้อน ใช้ในงานบำบัดโลหะ, ตัวเร่งปฏิกิริยา, วัสดุทนไฟ เป็นต้น
• เกรดอาหาร:
  • มีความบริสุทธิ์สูง ผลิตโดยกระบวนการความร้อนหรือกรดจากกระบวนการเปียกที่ผ่านการทำให้บริสุทธิ์สูง ตรงตามมาตรฐานที่เข้มงวดสำหรับการใช้ในอาหารและเครื่องดื่ม โดยทั่วไปเป็นสารละลาย H₃PO₄ 75% หรือ 85%
• เกรดยา:
  • มีความบริสุทธิ์สูงสุด ใช้ในผลิตภัณฑ์ยา ตรงตามมาตรฐานเภสัชตำรับ

3.การใช้งาน

3.1 ปุ๋ย (การใช้งานที่ใหญ่ที่สุด)

• การใช้งานหลัก:
  • มากกว่า 80-90% ของการผลิตกรดฟอสฟอริกทั่วโลกใช้ในการผลิตปุ๋ยฟอสเฟต
• ผลิตภัณฑ์สำคัญ:
  • ไดแอมโมเนียมฟอสเฟต (DAP)
  • โมโนแอมโมเนียมฟอสเฟต (MAP)
  • ทริปเปิลซุปเปอร์ฟอสเฟต (TSP)
  • ปุ๋ยเหลวแอมโมเนียมโพลีฟอสเฟต (APP)
• บทบาท:
  • ให้ฟอสฟอรัส ซึ่งเป็นธาตุอาหารหลักที่จำเป็นสำหรับการเจริญเติบโตของพืช มีความสำคัญต่อการพัฒนาราก, การออกดอก, การติดผล และการถ่ายโอนพลังงาน

3.2 อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม

• สารเพิ่มความเป็นกรด:
  • เพิ่มรสเปรี้ยวหรือรสเปรี้ยวในเครื่องดื่มอัดลม (โดยเฉพาะโคล่า เช่น E338), แยม, เยลลี่ และอาหารแปรรูป
• การควบคุม pH:
  • ใช้ปรับและรักษาเสถียรภาพของ pH ในผลิตภัณฑ์อาหารต่างๆ
• สารบัฟเฟอร์:
  • เกลือฟอสเฟตที่ได้จากกรดฟอสฟอริกใช้เป็นสารบัฟเฟอร์
• สารจับโลหะ:
  • สามารถจับไอออนโลหะ ป้องกันการเปลี่ยนสีหรือการเสียในผลิตภัณฑ์อาหารบางชนิด
• สารอาหารสำหรับยีสต์:
  • ใช้ในการอบและการหมัก

3.3 การใช้งานในอุตสาหกรรมและเทคนิค

• การบำบัดโลหะ:
  • การกำจัดสนิม: เปลี่ยนเหล็กออกไซด์ (สนิม) เป็นเหล็กฟอสเฟต ซึ่งสามารถขัดออกหรือสร้างชั้นป้องกันได้
  • การฟอสเฟต/การพาร์กเกอร์ไรซิ่ง: สร้างชั้นเคลือบฟอสเฟตบนพื้นผิวเหล็กเพื่อป้องกันการกัดกร่อนและเพิ่มการยึดเกาะของสี
  • การทำความสะอาดและการกัดกร่อนโลหะ: ใช้ในกระบวนการขัดเงาไฟฟ้าและการขัดเงาเคมีของโลหะ เช่น อะลูมิเนียม
• ตัวเร่งปฏิกิริยา:
  • ใช้เป็นตัวเร่งปฏิกิริยากรดในปฏิกิริยาเคมีบางชนิด (เช่น การอัลคิเลชัน, การพอลิเมอไรเซชัน)
• การบำบัดน้ำ:
  • สารประกอบฟอสเฟตใช้สำหรับควบคุมการเกิดตะกรันและการกัดกร่อนในระบบน้ำ
• สารซักฟอก:
  • โซเดียมไตรโพลีฟอสเฟต (STPP) ที่ได้จากกรดฟอสฟอริก เคยเป็นส่วนประกอบหลักในสารซักฟอกในฐานะสารทำให้น้ำอ่อนและสารเพิ่มประสิทธิภาพ แม้ว่าการใช้งานจะลดลงเนื่องจากปัญหาสิ่งแวดล้อม (ยูโทรฟิเคชัน)

3.4 การใช้งานเฉพาะทางอื่นๆ

• ผลิตภัณฑ์ทันตกรรม:
  • ใช้ในซีเมนต์ทันตกรรม, สารกัดกร่อนสำหรับเตรียมพื้นผิวฟันเพื่อการยึดติด และผลิตภัณฑ์ฟอกฟันบางชนิด
• เภสัชกรรม:
  • ใช้เป็นสารเพิ่มปริมาณ, ตัวปรับ pH หรือในการสังเคราะห์ยาที่มีฟอสเฟต
• อิเล็กทรอนิกส์:
  • ใช้ในกระบวนการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เป็นสารกัดกร่อน
• วัสดุทนไฟ:
  • ใช้เป็นสารยึดเกาะในวัสดุทนไฟ
• การผลิตถ่านกัมมันต์:
  • ใช้เป็นสารกระตุ้นทางเคมี
• อิเล็กโทรไลต์:
  • ในเซลล์เชื้อเพลิงกรดฟอสฟอริกบางชนิด (PAFCs)

4.การวิเคราะห์ตลาด

4.1 ภาพรวมตลาดโลก

• ขนาดและการเติบโต:
  • ตลาดเคมีภัณฑ์โภคภัณฑ์ขนาดใหญ่มาก โดยส่วนใหญ่ขับเคลื่อนโดยอุตสาหกรรมปุ๋ย ขนาดตลาดมีมูลค่าในระดับหลายหมื่นล้านดอลลาร์สหรัฐต่อปี การเติบโตมักเชื่อมโยงกับผลผลิตทางการเกษตร การเติบโตของประชากร และการเปลี่ยนแปลงในอาหาร
• ความโดดเด่นในการผลิต:
  • กรดฟอสฟอริกจากกระบวนการเปียกสำหรับปุ๋ยครองปริมาณการผลิต กระบวนการความร้อนเป็นส่วนที่มีมูลค่าสูงกว่าแต่มีปริมาณน้อยกว่า
• ตัวชี้วัดสำคัญ:
  • ตลาดมักถูกพูดถึงในแง่ของ P₂O₅ เทียบเท่า

4.2 พลวัตตลาดที่สำคัญ

• ปัจจัยขับเคลื่อน:
  • ประชากรโลกที่เพิ่มขึ้นและความต้องการอาหารที่เพิ่มขึ้น ส่งผลให้การบริโภคปุ๋ยเพิ่มขึ้น
  • การพัฒนาวิธีการเกษตรในประเทศกำลังพัฒนา
  • ความต้องการอาหารและเครื่องดื่มแปรรูป (สำหรับกรดเกรดอาหาร)
  • การใช้งานในอุตสาหกรรม เช่น การบำบัดโลหะและภาคส่วนอื่น ๆ
• ข้อจำกัด:
  • ความกังวลด้านสิ่งแวดล้อมที่เกี่ยวข้องกับการกำจัดฟอสโฟยิปซัมจากกระบวนการเปียก
  • ความกังวลเกี่ยวกับการเกิดยูโทรฟิเคชันจากการไหลบ่าของฟอสเฟตในภาคเกษตรกรรม ซึ่งนำไปสู่ข้อบังคับเกี่ยวกับการใช้ปุ๋ยในบางภูมิภาค
  • ต้นทุนวัตถุดิบที่ผันผวน (หินฟอสเฟต, กำมะถันสำหรับกรดซัลฟิวริก)
  • ต้นทุนพลังงาน โดยเฉพาะสำหรับกระบวนการความร้อน

4.3 ความต้องการและการผลิตในภูมิภาค

• ภูมิภาคที่ผลิตหลัก:
  • ภูมิภาคที่มีแหล่งสำรองหินฟอสเฟตและอุตสาหกรรมปุ๋ยที่สำคัญ เช่น จีน สหรัฐอเมริกา โมร็อกโก รัสเซีย และอินเดีย
• ภูมิภาคที่บริโภคหลัก:
  • ภูมิภาคที่มีภาคเกษตรกรรมขนาดใหญ่เป็นผู้บริโภคหลัก ซึ่งสอดคล้องกับการผลิต แต่ยังรวมถึงผู้นำเข้าอาหารรายใหญ่ เช่น เอเชีย (จีน อินเดีย) ซึ่งเป็นภูมิภาคที่บริโภคหลัก
• การค้า:
  • การค้าระหว่างประเทศที่สำคัญในกรดฟอสฟอริก (โดยเฉพาะเกรดพาณิชย์) และปุ๋ยฟอสเฟต

5. ความเชื่อมโยงต้นน้ำและปลายน้ำ

5.1 ความเชื่อมโยงต้นน้ำ (ปัจจัยนำเข้าในการผลิต)

• การจัดหาวัตถุดิบ:
  • หินฟอสเฟต: การทำเหมืองและการปรับปรุงคุณภาพหินฟอสเฟตเป็นกิจกรรมต้นน้ำที่สำคัญ แหล่งสำคัญพบในแอฟริกาเหนือ จีน สหรัฐอเมริกา และตะวันออกกลาง
  • กำมะถัน: สำหรับการผลิตกรดซัลฟิวริก (ส่วนใหญ่มาจากการกลั่นปิโตรเลียม การแปรรูปก๊าซธรรมชาติ หรือการทำเหมืองกำมะถันบริสุทธิ์)
  • ฟอสฟอรัสบริสุทธิ์: สำหรับกระบวนการความร้อน ผลิตจากหินฟอสเฟต โค้ก และซิลิกาในเตาไฟฟ้าที่ใช้พลังงานสูง
• พลังงาน:
  • การใช้พลังงานอย่างมากสำหรับการทำเหมือง การผลิตกรดซัลฟิวริก การผลิตฟอสฟอรัสบริสุทธิ์ (กระบวนการความร้อน) และการเพิ่มความเข้มข้นของกรด

5.2 ความเชื่อมโยงปลายน้ำ (ผลผลิตและผู้บริโภค)

• อุตสาหกรรมปุ๋ย:
  • ผู้บริโภคปลายน้ำที่ใหญ่ที่สุด ผลิต DAP, MAP, TSP เป็นต้น
• อุตสาหกรรมอาหารและเครื่องดื่ม: ใช้กรดฟอสฟอริกเกรดอาหารเป็นสารเติมแต่ง
• อุตสาหกรรมเคมี:
  • ใช้กรดฟอสฟอริกเป็นวัตถุดิบในการผลิตเกลือฟอสเฟตและสารเคมีต่าง ๆ (เช่น STPP โซเดียมฟอสเฟต แคลเซียมฟอสเฟตสำหรับอาหารสัตว์)
• การบำบัดโลหะและภาคอุตสาหกรรม:
  • ใช้กรดเกรดเทคนิคสำหรับการบำบัดพื้นผิวและการทำความสะอาดในงานต่าง ๆ
• การกระจายสินค้า:
  • เกี่ยวข้องกับการขนส่งจำนวนมาก (เรือ รถไฟ รถบรรทุก) สำหรับเกรดอุตสาหกรรม/ปุ๋ย และการบรรจุเฉพาะสำหรับเกรดอาหาร/ยา