Acido fosforico

Il fosforo (P) è un nutriente essenziale per le piante, che lo assorbono attraverso le radici solitamente sotto forma di ione diidrogeno fosfato, H₂PO₄^–, derivante dalla deprotazione dell’acido fosforico, H₃PO₄. Dalla disponibilità delle scorte di acido fosforico dipende la produzione dei fertilizzanti utilizzati per correggere le carenze di fosforo nel suolo.

Impieghi dell’acido fosforico

Circa il 90% dell’acido fosforico prodotto viene utilizzato per produrre fertilizzanti.

L’acido fosforico viene principalmente convertito in tre sali fosfatici che sono utilizzati come fertilizzanti. Essi sono: il perfosfato triplo (TSP), il di-ammonio idrogeno fosfato (DAP) e il mono-ammonio diidrogeno fosfato (MAP).

I fosfati sono utilizzati anche in molti altri modi, sono presenti come additivi alimentari nelle bevande analcoliche e come integratori nei mangimi somministrati a bovini, suini e pollame.

Sebbene in molti paesi sia stato gradualmente eliminato il loro impiego nella formulazione dei detergenti),  in alcuni paesi si fa  ancora largo uso della forma acida.

Produzione annuale di acido fosforico (2023)

Ecco una ripartizione approssimativa della produzione annuale di acido fosforico per aree geografiche:

Produzione annuale globale di acido fosforico:

• Mondo: Circa 50 milioni di tonnellate/anno

Distribuzione regionale:

1. Cina:

• Circa 35% della produzione globale (17-18 milioni di tonnellate/anno)
• La Cina è il principale produttore mondiale di acido fosforico, grazie alla sua vasta disponibilità di risorse di fosfati e alla sua grande industria agricola.

1. Nord America (soprattutto Stati Uniti):

• Circa 20% della produzione globale (10-11 milioni di tonnellate/anno)
• Gli Stati Uniti sono un grande produttore, grazie ai giacimenti di fosfati della Florida e della Carolina del Nord, utilizzati soprattutto per la produzione di fertilizzanti fosfatici.

1. Medio Oriente e Nord Africa (MENA):

• Circa 25-30% della produzione globale (13-15 milioni di tonnellate/anno)
• Paesi come il Marocco (attraverso l’azienda OCP) e l’Arabia Saudita sono grandi produttori grazie alle ricche riserve di fosfati nella regione. Il Marocco, in particolare, possiede alcune delle più grandi riserve mondiali di fosfati.

1. Europa:

• Circa 10% della produzione globale (5 milioni di tonnellate/anno)
• La produzione europea è significativa, ma limitata rispetto ad altre aree a causa della disponibilità inferiore di riserve di fosfati. Paesi come la Russia e la Polonia hanno una produzione rilevante.

1. Altri paesi dell’Asia (esclusa la Cina):

• Circa 5-8% della produzione globale (2,5-4 milioni di tonnellate/anno)
• India e altri paesi asiatici hanno una produzione significativa di acido fosforico, soprattutto per l’uso nei fertilizzanti agricoli.

1. America Latina:

• Circa 2-3% della produzione globale (1-1,5 milioni di tonnellate/anno)
• Brasile e altri paesi latinoamericani hanno una produzione limitata, ma in crescita, principalmente per la produzione di fertilizzanti.

Produzione di acido fosforico

L’acido fosforico è ottenuto attraverso due processi:

a) processo a “umido”

b) processo termico

Dal processo termico normalmente si ottiene un prodotto più concentrato e più puro, ma per esso è richiesto un ampio dispendio energetico (a causa della produzione del fosforo stesso). L’acido prodotto attraverso il processo a “umido” risulta meno puro e pertanto viene utilizzato nella produzione dei fertilizzanti.

(a) Processo a “umido”

L’acido fosforico è prodotto a partire dalla fluorapatite, nota come roccia fosfatica, CaF₂·3Ca₃(PO4)₂,  a cui viene aggiunto acido solforico concentrato (93%) in una serie di reattori provvisti di sistemi di agitazione. Dal processo di ottengono acido fosforico e solfato di calcio (gesso), più altre impurità insolubili. 

Al sistema viene aggiunta acqua al fine di rimuovere il gesso, che si allontana mediante filtrazione insieme ad altri materiali insolubili (es. Silice). Il fluoruro, presente come H₂SiF₆, viene rimosso in una fase successiva per evaporazione. 

Sebbene la reazione avvenga in fasi che coinvolgono il calcio diidrogeno fosfato, la reazione complessiva può essere rappresentata come segue:

Tuttavia, avvengono reazioni secondarie; ad esempio quelle che coinvolgono il fluoruro di calcio o il carbonato di calcio presenti nella roccia fosfatica:

L’acido fluorosilicilico è un importante sottoprodotto di questo processo e della produzione di acido fluoridrico.  Può essere neutralizzato con idrossido di sodio per formare esafluorosilicato di sodio. L’acido viene anche utilizzato per produrre fluoruro di alluminio, utilizzato a sua volta nella produzione dell’alluminio.

La struttura cristallina del solfato di calcio formato dipende dalle condizioni della reazione. A 340-350 K, il prodotto principale è il diidrato, CaSO₄.2H₂O. A 360-380 K, viene prodotto l’emiidrato, CaSO₄. ½ H₂O. Il solfato di calcio viene filtrato e l’acido viene quindi concentrato a circa il 56% come pentissimo di fosforo (P₂O₅) mediante distillazione sotto vuoto. L’acido prodotto dal “processo a umido” è impuro ma può essere utilizzato, senza ulteriore purificazione, per la produzione di fertilizzanti (vedi sotto). In alternativa può essere ulteriormente concentrato fino a circa il 70% di P₂O₅, ottenendo una soluzione chiamata acido superfosforico che viene utilizzata direttamente come fertilizzante liquido. Per produrre fosfati industriali, l’acido viene purificato mediante estrazione con solvente utilizzando, ad esempio, metilisobutilchetone  (MIBK) in cui l’acido è leggermente solubile e concentrato per fornire il 60% di P₂O₅.

Questo acido può essere ulteriormente purificato per estrazione, tramite solventi, dai metalli pesanti e defluorato (per evaporazione) per produrre un prodotto per uso alimentare.

(b) Processo termico

Le materie prime per questo processo sono il fosforo e l’ossigeno presente nell’aria:

Inizialmente, il fosforo viene vaporizzato nel forno e bruciato in aria a circa 1800-3000 K. 

La maggior parte dei processi utilizza aria non essiccata e molti prevedono l’aggiunta di vapore al bruciatore di fosforo per produrre e mantenere una pellicola di acidi polifosforici condensati che proteggono la torre del bruciatore fatta in acciaio inossidabile (che è raffreddata esternamente ad acqua). I prodotti della torre del bruciatore passano direttamente in una torre di idratazione dove l’ossido di fosforo gassoso viene assorbito in acido fosforico riciclato:

In alternativa, il fosforo può essere bruciato in aria essiccata. Il pentossido di fosforo viene condensato come polvere bianca e idratato separatamente ad acido fosforico. Questo metodo consente di recuperare e riutilizzare il calore. 

La combustione e l’idratazione diretta, come precedentemente descritto, creano ambienti altamente corrosivi. Pertanto l’attrezzatura utilizzata è costruita in acciaio inossidabile oppure è rivestita in mattoni di carbonio.

Per ridurre la corrosione, le pareti del bruciatore e delle torri dell’idratatore vengono raffreddate, ma i prodotti del reattore fuoriescono ad una temperatura troppo bassa per il recupero del calore utile. 

Il prodotto acido ha una concentrazione di circa l’85%.

L’acido tetrafosforico, fa parte di una famiglia di acidi polifosforici che possono essere prodotti selettivamente, viene prodotto facendo bollire l’acqua in un recipiente di carbone ad alte temperature, o aggiungendo pentossido di fosforo solido ad acido fosforico quasi bollente.Il primo metodo solitamente fornisce il prodotto più puro, dovuto all’alto contenuto di arsenico presente nel pentossido di fosforo.

Fosfati

I sali dell’acido fosforico, i fosfati, sono i composti che trovano largo impiego in agricoltura, nell’industria e in casa.

(a) Fosfati di ammonio

Il monoammonio diidrogeno fosfato e il diammonio idrogeno fosfato sono molto usati come fertilizzanti e sono realizzati mescolando in un tamburo rotante le giuste proporzioni di acido fosforico e di ammoniaca anidra. 

La scelta di quale tra i due fosfati di ammonio utilizzare dipende dalla proporzione di azoto e fosforo necessari per la coltura.

(b) Fosfati di calcio

I fosfati di calcio sono ampiamente utilizzati come fertilizzanti. Il calcio diidrogeno fosfato, Ca (H₂PO₄) ₂, è prodotto dalla reazione della roccia fosfatica con acido solforico:

È anche noto come superfosfato. Contiene circa il 20% di P₂O₅.

Se il fosfato di roccia viene trattato con acido fosforico, piuttosto che con acido solforico, viene prodotta una forma più concentrata di diidrogeno fosfato di calcio con un livello di P₂O₅complessivamente più elevato (50%):

Questo è noto come perfosfato triplo. Si ottiene il livello più alto di fosfato perché il prodotto non è più diluito con solfato di calcio.

(c) Fosfati di sodio

I fosfati di sodio sono prodotti dalla reazione tra acido fosforico e una soluzione concentrata di idrossido di sodio nelle appropriate proporzioni (stechiometriche).

Il prodotto si cristallizza.

• Il diidrogeno fosfato monosodico (MSP, NaH₂PO₄) è utilizzato nelle formulazioni per la pulizia dei metalli e per la preparazione delle superfici, come fonte di fosfato nella produzione farmaceutica e come agente di controllo del pH nei dentifrici, nel rivestimento smaltato vetroso (articoli sanitari) e nella produzione di fosfati di amido. Uno dei più grandi usi è come trattamento per la rimozione del piombo ceduto dalle vecchie tubazioni fatte con questo metallo. È possibile utilizzare acido fosforico o MSP per produrre un sottile rivestimento insolubile di fosfato di piombo sui tubi di piombo al fine di impedire la solubilizzazione del piombo da parte degli acidi presenti nell’acqua.
• L’idrogeno fosfato disodico (Na₂HPO₄) è utilizzato come agente ammorbidente nei formaggi fusi, negli smalti e negli smalti ceramici, nella concia delle pelli, nella produzione di tinture e come inibitore di corrosione nel trattamento delle acque.
• Il fosfato trisodico (Na₃PO₄) viene utilizzato nei detergenti pesanti, ad esempio nello sgrassaggio dell’acciaio. È una base (un alcale) e un sequestrante degli ioni calcio, li mantiene in soluzione prevenendo la formazione di schiuma.
• Il pirofosfato disodico (Na₂H₂P₂O₇) è usato come agente lievitante nei prodotti lievitati come pane e dolci (aiuta la liberazione dell’anidride carbonica dal bicarbonato di sodio), come inibitore dell’ossido di ferro (effetto scurente o imbrunente), nella fabbricazione di vari alimenti e come disperdente in fanghi di perforazione di pozzi petroliferi.

Ultimo aggiornamento della pagina 10 settembre 2024.

Edizione Italiana Fabiana Tescione e Valter Ballantini il 10 settembre 2024.

Foto in alto di Samuel Sianipar su Unsplash