فسفريک اسيد با فرمول H₃PO₄ با نام های مترادف ارتو فسفريک اسيد، اسيد فسفريک سفيد، محلول اسيد فسفريک و اورتو فسفريک اسيد پس از سولفوريک اسيد بيشترين توليد و مصرف را در جهان دارد.
بيشترين مصرف فسفريک اسيد در توليد نمک های فسفاته همراه با كودهای شيميايی می باشد، همچنین از فسفريک اسيد در توليد مواد شيميايی مورد استفاده در تصفيه آب، مواد پاک كننده و مواد كنترل كننده آتش نیز استفاده می شود. اسيد فسفريک از اسيدهای معدنی مهم بوده که دارای تنوع مصرف بسياری از قبيل صنايع كودهای شيميايی، صنایع غذايی، دارویی، آبكاری و ريخته گری، توليد املاح فسفاته، توليد الياف مصنوعی، چسب و رزین، پاک كننده های صنعتی و بهداشتی و… است.

به طور کلی فسفريک اسيد به سه صورت توليد می شود كه به ترتيب در صد خلوص عبارتند از:
اسيد فسفريک خام
اسيد فسفريک صنعتی
اسيد فسفريک خوراكی

فسفريک اسيد صنعتی و خوراكی از تصفيه اسيد خام به دست می آيند. اسيد فسفريک خام معمولاٌ از واكنش شيميايی اسيد سولفوريک با خاک فسفات توليد شده و سپس در واحدهای تصفيه به اسيد فسفريک صنعتی و خوراكی تبديل می شود. اسيد فسفریک خام در صنايع كودهای شيميايی، اسيد فسفریک صنعتی در صنايع فسفاته كننده ها و شوينده های صنعتی، چربی گيرها و رنگ برها، صنايع نساجی، تصفيه پساب ها، پاک كننده های صابونی و غير صابونی و توليد ظروف تفلون به كار می رود. اسيد فسفريک خوراكی به طور عمده در توليد روغن نباتی، به عنوان ماده افزودنی در توليد نوشابه های گاز دار، تصفيه آب، خوراک دام و داروسازی و مكمل های غذای دام و طيور(دی و منو كلسيم فسفات) استفاده می شود. فسفريک اسيد خوراكی را از افزودن آب به P₂O₅ و يا از سنگ فسفات دار در مجاورت اسيد سولفوريک تهیه می کنند. اسيد فسفريک، اسيد ضعيفی است كه در شرايط عادی و مدت زمان كوتاه آنقدر نمی تواند خطرساز باشد.

طبقه بندی های رايج استفاده شده برای اسيد فسفريک

1- اسيد گرمايی
نام عمومی برای اسيد توليد شده توسط احتراق عنصر فسفر و هيدراسيون P₂O₅
2- اسيد با فرآيند تَر
نام عمومی برای اسيد توليد شده توسط واكنش يک اسيد غير آلی (معمولاً اسيد سولفوريک) با سنگ فسفات
3- اورتو فسفريک اسيد
تمام فسفات های محتوی كمتر از 68/5 درصد P₂O₅، به شكل مولكولی اورتو هستند. گريد تجاری اورتو فسفريک اسيد (MGA ) معمولاً شامل 54-52 درصد P₂O₅  بوده و عمدتاً در توليد فسفات آمونيوم جامد و كود های سوپر فسفات استفاده می شود.
4- سوپر فسفريک اسيد (SPA)
اگر درصد P₂O₅ بيش از 68/5 درصد باشد، دی هيدراسيون مولكولی آغاز شده و موجب توليد مقادير مختلف مولكول های پلی فسفات می شود. معمولاً شامل 70 درصد P₂O₅ است. تقريباً تمام SPA در توليد كودهای مايع استفاده می شود.
5- اسید فيلتر شده
اسيدی كه توسط فرآيند تَر توليد و از فيلتر بازيافت می شود (برای زدودن گچ به عنوان محصول جانبی)، يک محلول رقيق 30-28 درصد P₂O₅  است. اين اسيد فيلتر شده يا قبل از استفاده تغليظ می شود و يا در توليد فسفات دی آمونيوم (DAP) استفاده می شود.
6- اسيد سياه
مقداری از مواد آلی موجود در بعضی سنگ های فسفات در حين اسيدی كردن، حل شده و حتی پس از فيلتراسيون گچ به صورت سوسپانسيون باقی می ماند. اسيد حاصل كه حاوی اين ذرات كلوييدی پخش شده است، تيره يا سياه می باشد. پس از تغليظ به گريد تجاری اسيد اورتو فسفريک (MGA) يا سوپر فسفريک  (SPA) تبديل می شود. اين اسيد معمولاً در توليد كودهای فسفاته استفاده می شود.
7- اسيد سبز
اسيد تَر توليد شده از سنگ فسفات كلسيم دار، معمولاً شامل كمتر از0/3 درصد جامدات معلق است و بنابراين به صورت شفاف (عبور دهنده نور) و به رنگ سبز ديده می شود. اگر اسيد سبز تا 54 درصد P₂O₅  تغليظ شود، عمدتاً در توليد فسفات های آمونيوم جامد استفاده می شود و در صورتی كه  72- 68 درصد P₂O₅  داشته باشد، در توليد كود های مايع و غذای دام و طيور استفاده می شود.
8- گريد تجاری يا شفاف اسيد (MGA)
اين اسيد همان اسيد سبز يا سياه (معمولاً 54-52 درصد P₂O₅) است كه مقدار جامدات معلق آن كاهش يافته است ( کمتر از 2 درصد) اين اسيد عمده ترين اسيد تجاری است.
9- اسيد مرطوب خالص سازی شده
اسيد فسفريک حاصل از روش تَر است كه اكثر ناخالصی های آن توسط استخراج با حلال گرفته شده است. حلال ها معمولاً در آب غير قابل حل می باشند، ولی استخراج می تواند توسط حلال های قابل حل در آب نيز انجام گيرد. در حال حاضر خالص سازی اسيد فسفريک توسط ته نشينی ناخالصی ها نيز در دست بررسی است. اين اسيد خالص شده، براي بسياری از مصارف غذايی و صنعتی قابل استفاده است.
10- اسيد گريد خوراک دام و طيور
اسيد هايی كه حاوی مقدار بسيار كمی فلوئور، آرسنيک و فلزات سنگين هستند، در توليد خوراک دام و طيور استفاده می شوند.
11- اسيد گريد خوراكی
اسيد توليد شده از روش گرمايی با خلوص بالا است كه محتوی مقدار بسيار كمی آرسنيک، فلوئور و فلزات سنگين است. اين نوع اسيد در مواد غذايی، نوشيدنی ها و خمير دندان استفاده می شود.

موارد مصرف و كاربرد

اسيد فسفريک (H₃PO₄)  يک اسيد غير آلی است كه پس از اسيد سولفوريک بيشترين توليد و مصرف را در جهان دارد. اين ماده به عنوان ماده ميانی بين سنگ فسفات و مواد فسفاته محسوب شده و معمول ترين گريد تجاری اسيد فسفريک، 23/7 درصد فسفر و يا 54 درصد، P₂O₅ دارد. توليد آن به روش فرآيند مرطوب يا فرآيند حرارتی است. اساس كار در فرآيند مرطوب به صورت زير است:

↑Ca₃(PO₄)₂.CaF₂+ 10H₂SO₄ → 6H₃PO₄+ 10 CaSO₄ + 2HF

محصولات جانبی اين فرآيند؛ فسفو ژيپس كه در اصلاح خاک به كار می رود. سولفات آمونيوم، فلوئورو سيليكات سديم (فلوئور دار كردن آب، خمير شيشه و سفال، متالوژی، حشره كش و داروهای ضد جانوران جونده)، اسيد فلوئوروسيليسيک پيش ماده توليد فلوئورو سيليكات های آمونيوم، كلسيم، مس، منيزيم، پتاسيم و سديم می باشد.
اسيد فسفريک علاوه بر كشاورزی، در شوينده ها، صنايع غذايی، نساجی، دارو سازی و دندانپزشكی نیز كاربرد دارد. از جمله صنايعی كه مشتقات اسيد فسفريک را مصرف می كند، صنايع الكترو شيميايی و تصفيه آب است. همچنين اسيد فسفريک به صورت مستقيم در محافظت از خوردگی آلياژهای آهن و به عنوان كاتاليست در صنايع پتروشيمی كاربرد دارد.

در صد مصرف اسيد فسفريک را در صنايع مختلف

همان گونه كه در جدول مشاهده می شود، مهم ترين كاربرد فسفريک اسيد در توليد انواع مختلف كودهای شيميايی بوده، به طوری كه 90 درصد مشتقات اسيد فسفريک توليدی در سطح جهانی نیز در تهیه کودهای شیمیایی مصرف می شود. 10 درصد باقی مانده در صنايع فلزی (جهت ايجاد لايه ضد زنگ بر روی ورقه های فلزی)، صنايع شيشه، داندانپزشکی، لاستيك سازی و صنايع پتروشيمی به كار می رود.

1- كاربرد در صنايع غذايی و خوراک دام و طيور

از فسفريک اسيد در توليد غذا های اسيدی و نوشابه های گازدار مانند انواع نوشابه ها استفاده می شود.  به كارگيری اين ماده سبب دادن طعم تندی به غذا شده لذا اين ماده شيميايی با توليد انبوه و با قيمتی ارزان و حجمی فراوان در دسترس می باشد. همان طور كه ذكر شد، قيمت پايين و حجم زياد توليد اين ماده، آن را در مقايسه با طعم دهنده های طبيعی نظير زنجبيل برای ایجاد طعم تندی، يا اسيد سيتريک كه از ليمو (Lemon) و عصاره ليمو ترش (Lime) برای دادن طعم ترش به كار می رود، در رتبه بالاتری قرار داده است.

برای تامين فسفر و ساير مواد مغذی ديگر، از قبيل كلسيم و نيتروژن غير پروتئينی، در خوراک دام و طيور از فسفات های گريد خوراکی استفاده می شود. مواد فسفاته مصرفی در خوراک دام و طيور به صورت كلسيم فسفات ها و اسيد فسفريک، آمونيوم فسفات های جامد، فسفات سديم و… هستند.

2- كاربرد در مواد پاک كننده

در توليد شوینده ها از اسيد فسفريک به منظور عامل نرم کننده آب استفاده می شود. آب نرم فاقد يون های كلسيم و منيزيم بوده  كه عامل ایجاد کننده سختی در آب به شمار می روند. در صورت عدم حذف یون های ایجاد کننده سختی در آب، اين يون ها با صابون تشكيل رسوب غير قابل حل می دهند كه سبب ایجاد لكه بر روی لباس ها در هنگام شستشو می شوند. نمک های فسفات حاصل از اسيد فسفريک به طور گسترده ای در پاک كننده ها به عنوان  (builder) به كار می رود. عمدتاً از ترکیبات فسفردار (مانند سديم تری پلی فسفات) در مخلوط پاک كننده های جامد استفاد می شود. سديم تری پلی فسفات (Na₅P₃O₁₀) به عنوان نرم كننده آب، با یون های كلسيم و منيزيم پيوند برقرار می كند و تشكيل ترکیبات (كمپلكس يا كليت) محلول را می دهد. اين كمپلكس ها از واكنش یون های كلسيم و منيزيم با صابون ممانعت به عمل می آورند و منجر به عدم تشکیل رسوب می شود.

3- كاربرد در زدودن زنگ آهن

از اسيد فسفريک می توان مستقيماً برای زدودن زنگ آهن (اكسيد آهن) از ابزارهای آهنی يا فولادی و تبديل آهن به فسفات های محلول در آب استفاده نمود. پس از زدودن آهن، فسفات آهن توليد شده تبديل به تركيب فسفات آهن سياه شده كه خود به عنوان عامل جلوگيری از خوردگی می تواند مورد استفاده قرار گيرد.

4- كاربرد در پزشكی

از فسفريک اسيد در دندانپزشكی و اورتودنسی به عنوان عامل قلم زنی (Etching) جهت تميز كردن و زبر كردن سطح دندان خصوصاً در جاهايی كه از اسباب و وسايل دندانپزشكی استفاده شده، به كار می رود.

5- كاربرد در كشاورزی

بيشترین مصرف فسفريک اسيد در توليد كودهای آمونيوم فسفات می باشد. آمونيوم فسفات ها نمک های غير آلی هستند كه از واكنش بين آمونياک و اسيد فسفريک حاصل می شوند. اين نمک ها به صورت جامد و مايع توليد شده و ممكن است شامل مقاديری فسفات به شكل اورتو (معمولاٌ در حالت جامد) و يا پلی فسفات (معمولاٌ در حالت مايع) باشند. حدود 98 درصد از آمونيوم فسفات تولیدی در تهیه كودهای شيميايی مورد استفاده قرار می گیرند. كودهای فسفاته پر مصرف ترين انواع كود بعد از كودهای نيتروژنی بوده به طوری که 90 درصد از مصرف فسفات ها را نيز به خود اختصاص داده است. فسفر یکی از ضروری ترین عناصر مورد نیاز گیاهان به شمار می رود.

فسفات های آلی تركيباتی هستند كه انرژی لازم برای بيشتر واكنش هايی كه در سلول های زنده اتفاق می افتند را مهيا می كنند، بنابراين خاک های غنی با كودهای فسفاتی رشد گياهان را بالا می برند. افزايش غلظت فسفات در سطح آب ها همچنين می تواند رشد گياهان آبزی را نیز افزایش دهد.
ضافی كودهای شيميايی می توانند باعث تحريک رشد گياهان در آب های درياچه ها و آب های جاری شوند. آب فاضلاب ها كه حاوی فسفات است، می تواند تاثير يكسانی داشته باشد. وقتی گياهان آبزی با اين شرايط مغذی بودن محيط، رشد می كنند پس از مدتی خواهند مُرد. حال اين گياهان مرده برای تجزيه، اكسيژن حل شده در آب را مصرف می كنند. اين مصرف، سطح اكسيژن حل شده را كاهش می دهد تا نقطه ای كه برای حمايت حيوانات آبزی كافی نيست. به منظور کاهش این گونه تهدید ها امروزه تلاش بر حذف ترکیبات فسفات از شوینده ها در اولویت قرار دارد. در بسیاری از موارد فسفات ها جای خود را با كربنات ها تعویض نموده اند.

6- مصارف صنعتی

اسيد فسفريک عمدتاٌ در توليد سديم فسفات ها و آمونيوم فسفات های جامد استفاده می شود. سديم فسفات ها در توليد مواد موجود در شوینده ها (دترژنت ها) و مواد تصفيه كننده آب و آمونيوم فسفات های جامد، در مواد كنترل كننده آتش كاربرد دارند. از مصارف صنعتی ديگر اسيد فسفريک، می توان به سلول های سوختی اسيد فسفريک اشاره نمود. اين سلول های سوختی مزايايی از قبيل دسترسی راحت و عملكرد كامل را دارند.

از آن جا که اسيد فسفريک در تهيه كودهای فسفاته و همچنین توليد بسياری از محصولات دارای پايه فسفر مورد استفاده قرار می گيرد، لذا تقريباً جايگزينی برای آن وجود ندارد. اسيد فسفريک خوراكی به لحاظ خاصيت نگهدارندگی آن در محصولات غذايی مي تواند جايگزين هايی مانند اسيد سيتريک، اسيد اسكوربيک و … را دارا باشد در صورتی كه مشخصاً خاصيت نگهدارندگی آن مورد نظر باشد؛ اما در مواردی همچون حذف صمغ های موجود در روغن خام جایگزینی برای این اسید در نظر گرفته نمی شود. در صنايع نوشابه سازی اسيد فسفريک هم به واسطه طعم دهندگی و هم نگهدارنده بودن مورد استفاده قرار می گیرد كه در مقايسه با ساير اسيدهای قابل مصرف در صنايع غذايی مانند تارتاريک اسيد، اسيد سيتريک و اسكوربيک اسید از قدرت بيشتری برخوردار بوده و مقدار كمتری نسبت به ساير اسيدها می تواند مصرف شود.

فسفريک اسيد مانند نيتريک اسيد يكی از تركيبات اوليه مهم در ساخت كودهای شيميايی است. با افزايش روز افزون جمعيت جهان و نياز فراران به تامين غذايی اين جمعيت رو به رشد استفاده از كودهای شيميايی يكی از مهم ترين عوامل حاصلخيزی خاک و توليد محصول بيشتر می باشد و با تقاضای روزافزون اين گونه حاصلخيز كننده ها توسط كشاورزان و باغداران توليد مواد اوليه اين كودها در مقياس صنعتی و همچنين يافتن روش های نوين و بهتر برای توليد اقتصادی تر از دغدغه های شيمی صنعتی می باشد. با توجه به مصرف گسترده اسيد فسفريک در صنايع كشاورزی به عنوان كود شیمیایی (83/3 درصد)، صنايع شوينده و بهداشتی (5/6 درصد)، خوراک دام و طيور (3/3 درصد) و صنايع غذايی، آبكاری، رنگ و دارویی (در مجموع 7/8 درصد) در جهان، نقش و اهميت این ماده شیمیایی كاملاٌ مشخص می باشد. از طرفی به دليل محدودیت در تامین ماده اولیه (سنگ فسفات) این اسید، صنايع بسياری از كشورها اين محصول را به عنوان يک محصول مهم و استراتژيک قلمداد می نمايند.

فسفريک اسيد عمدتاً به دو روش توليد می شود:

فرآيند مرطوب (تَر)

روش مرطوب متداول ترين روش توليد اسيد فسفريک به شمار می رود. اسيد توليدی در فرآيند تَر مستقيماً از سنگ معدن تهيه می گردد و معمولاً در حجم زياد و با هزينه زياد و درجه خلوص نه چندان بالا توليد می شود. اين نوع اسيد عمدتاً برای توليد كودهای شيميايی فسفاته به كار می رود. در صورتی كه اين اسيد خالص شود، از آن می توان برای توليد تركيبات شيميايی تجاری فسفات ها نیز استفاده نمود. در اين فرآيند پس از خرد نمودن كانی فسفات توسط آسياب های گلوله ای كه حاوی مقداری اسيد فسفريک رقيق می باشند، شيرابه حاصله با اسيد سولفوريک 55 درصد به مخازن واكنش منتقل می شود. اين مخازن مجهز به همزن های قوی می باشد و درجه حرارت واكنش به دقت كنترل می گردد. گازهای خروجی از راكتور به برج های جذب منتقل شده و در آنجا اسيد فلوسيليسيک (H₂SiF₆) به وسيله آب می تواند بازيابی شود. واكنشی كه در راكتور انجام می شود به صورت زير می باشد. همان گونه که مشاهده می شود علاوه بر اسيد فسفريک، نمک سولفات كلسيم نيز بدست می آید.

↑3Ca₃(PO₄)₂.CaF₂ + 10H₂SO₄ + 10H₂O → 6H₃PO₄ + 10 CaSO₄.2H₂O + HF

سپس شيرابه حاصل از راكتور ها به فيلترهای خلا دورانی افقی منتقل شده و در آنجا اسيد فسفريک از ماده جامد (کیک) جدا می شود. كيک به دست آمده گچ (ژيپس) می باشد. اسيد به دست آمده از فيلترها به وسيله تبخير كننده ها یی كه دارای مبدل های حرارتی می باشند تغليظ می شود.

مواد غیر قابل استفاده ایجاد شده در حين فرآيند توليد اسيد فسفريک به دو دسته تقسيم می شوند.

* پساب حاصل از شستشو و جداسازی كيک ژيپس (گچ)
* گازهای خروجی در مرحله هضم و تبخير فرآيند توليد

اصلی ترين مواد آلاينده پساب را فسفات ها و فلوريدهای محلول تشكيل می دهند كه پس از تخليه پساب به حوضچه های بزرگ تصفيه، با اضافه نمودن آهک به صورت نمک های (فسفات و فلوريد) كلسيم رسوب داده می شوند. البته با توجه به وسعت زياد اين حوضچه ها، مشكلات چندانی از نظر آلودگی آب وجود نخواهد داشت. گازهای خروجی از فرآيند در هر دو مرحله عنوان شده شامل مقاديری P₂O₅ و فلوئور می باشند (از مقدار كل فلوئور موجود در كانی فسفات (3/5 درصد) حدود 30 درصد در محصول، 16درصد در گاز خروجی مرحله هضم و 24 درصد در گاز خروجی مرحله تبخير و 30 درصد در كيک فيلتر ژيپس توزيع می شود). اين گازها با استفاده از يک تله آبی  (Scrubbing Wet) قابل جذب بوده و به صورت جريان های اسيدی دفع می شوند. البته اسيد فلوئوريک و اسيد فلو سيليسيک توليد شده در اين مرحله در عمليات تكميلی بعدی قابل بازیابی می باشند، اگرچه در بسياری از واحدها اين جريان های اسيدی نيز به حوضچه های بزرگ تصفيه منتقل می شوند. در صورتی كه نياز به تخليه بخشی از آب اين حوضچه ها باشد می بايستی حتماً جريان خروجی با افزودن آهک كنترل گردد.

روش آزمایشگاهی سنتز فسفریک اسید

فرآیند خشک (يا حرارتی)

در روش خشک يا حرارتی از فسفر عنصری به عنوان ماده اولیه استفاده می شود و از اسید تولید در روش تَر بسیار خالص تر و البته گران تر است. از اسيد فسفريک تولید شده به روش خشک برای تهیه فسفات های سديم، كلسيم، پتاسيم و آمونيوم استفاده می گردد.
اين روش شامل احتراق فسفر و هيدراسيون P₄O₁₀ می باشد. مخلوط فسفر مايع و هوا به محفظه احتراق که شبيه برج است تزريق شده و با انجام واکنش اکسيداسيون فسفر P₄O₁₀، توليد می شود. جنس محفظه احتراق نوعی فولاد مخصوص است که با H₃PO₄ غيرفعال شده است. P₄O₁₀ به دست آمده را در برج بعدی هيدراته می کنند و بخارات باقی مانده P₄O₁₀ را واحد شستشو به اسيد فسفريک رقيق تبديل می كند. به علت وجود ترکيبات آرسنيک، اگر اسيد به دست آمده در صنعت مواد غذايی استفاده شود، ناخالصی را با گاز H₂S که از داخل محلول عبور می دهند، به صورت رسوب گرفته و بعد از صاف کردن اسيد خالص را به دست می آورند.

مرجع مواد شیمیایی ایران