Фосфаты

Фосфаты  находятся во всех животных и растительных  клетках, в пище,  в косметической химии, моющих средствах, лекарствах и удобрениях. Они используются во многих отраслях промышленности – автомобильной, строительной, нефтехимической, текстильной и т. д. Но что же представляют собой эти химические соединения? Каковы их свойства и используются ли фосфаты исключительно внутрь?

Что такое фосфаты и каковы их свойства?

Говоря о фосфатах, чаще всего мы имеем в виду ортфосфаты, то есть производные фосфорной кислоты (V) с формулой H3PO4. Три атома водорода могут быть заменены катионами металлов или ионом аммония (образуются соли) или органическими группами (в этом случае образуются эфиры). Фосфорная кислота может обезвоживаться, в результате чего образуются:

• Пирофосфорная кислота H4P2O7 (её производные – пирофосфаты),
• Метафосфорные кислоты (HPO3)ₙ, которые образуют циклические или линейные полимерные кислоты (метафосфаты или полиметафосфаты),
• Полифосфорные кислоты Hₙ+2PₙO3ₙ+1 (полифосфаты).

Однако стоит добавить, что фосфор также образует другие кислоты, в которых  он отличается степенью окисления – фосфористая кислота (III) H3PO3 (фосфоновая) и фосфорноватистая кислота (I) H3PO2 (фосфиновая). Они также  находят применение в промышленности, но в гораздо меньшем объеме, чем ортофосфаты.

Из-за разнообразного строения  фосфаты имеют  разные  физико-химические свойства, которые используются в определенных отраслях промышленности. Наиболее широкое применение находят фосфаты с хелатирующими (связывание ионов металлов), буферными (стабилизация pH), эмульгирующими, а также гигроскопичными и термостойкими свойствами (устойчивость к высоким температурам).

Применение фосфатов в пищевой промышленности

Фосфаты – это очень распространенные добавки к пищевым продуктам, которые в основном выполняют функцию регуляторов кислотности, стабилизаторов, эмульгаторов, антиоксидантов, консервантов, а также разрыхлителей и противослеживающих веществ. На этикетках их следует искать под обозначениями E338 до E452. Серия начинается с фосфорной кислоты  (E338), а затем следуют фосфаты натрия, калия,  кальция, дифосфаты, трифосфаты и полифосфаты. Можно встретить их, например, в качестве основного компонента газированных напитков.

Фосфаты в сельском хозяйстве – ключевой компонент удобрений

В сельском хозяйстве фосфаты содержатся  в искусственных  удобрениях как источник легкоусвояемого фосфора, одного из трех основных питательных веществ (помимо азота и калия). Фосфор необходим  для развития  корней,  а также для формирования цветков и плодов. Растение использует его во всех метаболических процессах – это компонент АТФ, основного носителя энергии.

В удобрениях содержание этого элемента указывается в P2O5. Наиболее важные виды фосфорных удобрений (количество P2O5 в скобках):

• Простой суперфосфат (16-20%),
• Обогащенный суперфосфат (40-50%),
• Фосфат аммония, DAP (46%) – также поставляет азот, поэтому является очень эффективным удобрением,
• Моноаммонийфосфат, MAP (50-55%),
• Термофосфаты.

Роль фосфатов в промышленной химии

В промышленной химии также  широко используются фосфаты. Их добавляют  в пластмассы, текстиль и промышленные материалы в качестве веществ, снижающих воспламеняемость, добавок к краскам и эмалям, пластификаторов, термостабилизаторов и средств для обработки воды (секвестранты и ингибиторы осадков).

Влияние фосфатов на окружающую среду – вызовы и регулирование

Крупнейшей проблемой, связанной с использованием фосфатов, является их воздействие на окружающую среду, особенно на водную. Неправильное использование этих соединений приводит к эвтрофикации вод, то есть к чрезмерному цветению водорослей и сине-зеленых водорослей, а в конечном итоге — к дефициту кислорода и гибели водных организмов. Основными источниками фосфатов являются сельское хозяйство, а также коммунальные и промышленные стоки, поэтому правила ЕС довольно строго регулируют их использование.

Альтернативы фосфатам — возможны ли они?

Конечно,  существуют альтернативы фосфатам, которые  используются  в пищевой промышленности (например, цитраты, гидрокарбонаты), в моющих средствах (например, цеолиты, поликарбоксилаты) или в сельском хозяйстве (органические удобрения, удобрения из переработки или струвит). Несмотря на то, что они биоразлагаемы и способствуют экономике замкнутого цикла, к их основным недостаткам относятся, в частности, меньшая эффективность, более высокая стоимость или ограниченная доступность.

Стандарты и правила использования фосфатов

Использование фосфатов в качестве пищевых добавок строго регулируется  законодательством ЕС. Наиболее  важные  правовые  акты  — Регламент  (EC) 1333/2008  и  Регламенты  Комиссии  (ЕС), изменяющие его приложения (№ 1129/2011, 2017/871 и 2018/74). Эти правила направлены на то, чтобы потребление фосфатов потребителями не превышало  70 мг/кг массы тела (выраженное как фосфор) — в соответствии с рекомендацией Научного комитета по пищевым продуктам.

Нормы содержания  фосфора в моющих средствах и чистящих  средствах определены  Регламентом Европейского парламента и Совета (ЕС) № 259/2012. Они составляют 0,5% фосфора в средствах для стирки и 0,3 г фосфора в стандартной дозе моющих средств для посудомоечных машин. Что касается искусственных удобрений, Регламент Европейского парламента и Совета (ЕС) 2019/1009 не указывает максимальное содержание фосфора, но в основном затрагивает тему загрязнений (например, кадмием) и продвигает использование органических удобрений и удобрений из переработанных материалов.