Monitoring phosphate reactions in real time with Raman spectroscopy

Význam tématu

Ramanova spektroskopie umožňuje rychlé a neinvazivní sledování fosfátových a síranových složek v reálném čase během výroby fosfátových hnojiv. Tradiční metody jsou časově náročné, vyžadují nebezpečná činidla a neposkytují okamžitou průběžnou zpětnou vazbu, což omezuje optimalizaci procesu.

Cíle a přehled studie

Studie demonstruje využití Ramanovy spektroskopie k monitoringu modelového procesu výroby fosfátového hnojiva. Jako modelová látka byl použit dicalcium fosfát reagující s HCl a H₂SO₄. Hlavním cílem bylo sledovat fosfátové a síranové druhy, jejich protonační stav a tvorbu sraženin v reálném čase.

Použitá metodika a instrumentace

Měření spekter bylo prováděno Ramanovým spektrometrem s excitací 1064 nm při plném výkonu laseru a integraci 30 s. Současně probíhala postupná titrace 1,0 mol/L NaOH v přírůstcích 0,25 mL a kontinuální měření pH elektrodetou Metrohm 913. Pro analýzu sraženin byly vzorky izolovány, sušeny a znovu zkoumány Ramanovou spektroskopií.

Přidaná instrumentace

• Spektrometr i-Raman NxG 785H (Metrohm) pro vysokou citlivost a rychlost měření
• Fiberoptická sonda a držák vzorku BAC151B
• Metrohm 913 pH metr s elektrodou Electrode Plus
• SpecSuite software pro sběr spekter a datovou analýzu

Hlavní výsledky a diskuse

Spektrum DCP v 0,5 mol/L HCl ukázalo píky H₃PO₄ (889 a 1189 cm⁻¹) a H₂PO₄⁻ (1076 cm⁻¹). Po přidání H₂SO₄ se objevil pík SO₄²⁻ na 983 cm⁻¹ a intenzity fosfátových píku se změnily v důsledku zvýšené protonace. Při titraci NaOH na pH 2,95 došlo k deprotonaci H₃PO₄ (posun píku na 879 cm⁻¹), zvýšení píku H₂PO₄⁻ a k poklesu intenzity SO₄²⁻ o 52 %, což naznačuje precipitaci síranů (gypse­m, brushit, ardealit). Izolovaný sražený materiál vykazoval dominantní SO₄²⁻ pík kolem 1001 cm⁻¹, typický pro směs těchto sraženin.

Přínosy a praktické využití metody

• Okamžitá kontrola fosfátové specia­ce a precipitace v průběhu výroby
• Bez nutnosti odběru vzorku a použití chemikálií
• Optimalizace procesu a snížení výrobních odchylek
• Podpora QA/QC v průmyslové analytice a zajištění konzistentní kvality hnojiv

Budoucí trendy a možnosti využití

Očekává se rozšíření inline měření prostřednictvím chemometrických modelů, integrace s automatizovanými řídicími systémy, vývoj kompaktních a mobilních Ramanových senzorů a využití umělé inteligence pro prediktivní řízení výroby.

Závěr

Ramanova spektroskopie se prokázala jako efektivní nástroj pro sledování fosfátových reakcí a tvorbu sraženin v reálném čase. Poskytuje detailní informace o specia­ci a precipitaci, což umožňuje lepší kontrolu procesu a zvyšuje kvalitu fosfátových hnojiv.

Reference

1. Cordell D , Drangert J-O , White S . The Story of Phosphorus: Global Food Security and Food for Thought . Global Environmental Change . 2009 ; 19 ( 2 ) : 292–305 .
2. US EPA Office of Air and Radiation . AP-42 Phosphoric Acid . 2020 .
3. Metrohm AG . Determination of Total Phosphate in Phosphoric Acid and Phosphate Fertilizers with Thermometric Titration ; AB-314 ; Metrohm AG .
4. Barua R , Daly-Seiler CS , Chenreghanianzabi Y et al . Comparing the Physicochemical Properties of Dicalcium Phosphate Dihydrate and Polymeric DCPD Cement Particles . J Biomed Mater Res . 2021 ; 109 ( 10 ) : 1644–1655 .
5. Lafuente B . The Power of Databases: The RRUFF Project . 2015 .