煉鐵燒結(jié)煙塵灰中氯化鉀的提取實(shí)驗(yàn)研究*

向 鵬,黃曉梅，張團(tuán)慧，閆乙亮，蘇 毅**

(1.昆明理工大學(xué) 化學(xué)工程學(xué)院，云南 昆明 650500；2.涼山礦業(yè)股份有限公司 昆鵬公司，四川 涼山 615141)

氯化鉀作為我國農(nóng)業(yè)、工業(yè)和醫(yī)療中的重要原料[1-6]，其需求量的逐年增加與資源短缺形成了尖銳的矛盾。因此，從各種廢棄物資源中提取氯化鉀具有重要的意義。煉鐵燒結(jié)煙塵灰是鋼鐵企業(yè)的主要固體廢棄物之一，約占我國煙塵灰總量的2/3。由于很多鐵礦石原料中含有較高的鉀、鈉等堿金屬元素，在高溫?zé)Y(jié)過程中這些堿金屬元素會揮發(fā)至煙氣中，通過除塵系統(tǒng)的凝結(jié)、氧化就會撲集進(jìn)入除塵灰中。而一般除塵灰會重新配料循環(huán)利用，在這過程中會使鉀、鈉等堿金屬逐步富集從而達(dá)到很高的含量。我國煉鐵煙塵會年產(chǎn)量能達(dá)到800萬t以上，其中富鉀煉鐵燒結(jié)煙塵灰的年產(chǎn)總量約能達(dá)到300萬t。而煉鐵煙塵灰中氯化鉀的含量按平均值20%計(jì)算，每年約有60萬t的氯化鉀，占我國氯化鉀進(jìn)口總量的10%。因此，從富鉀煙塵灰中提取氯化鉀，不僅能實(shí)現(xiàn)資源的二次利用，而且能降低我國氯化鉀的進(jìn)口量。

我國對爐灰或煉鐵煙塵灰中氯化鉀的提取研究已開始起步[7-8]，但由于其中所含元素的不同，浸取和凈化的方法也不盡相同。由于K、Na等堿金屬元素主要以氯化物形態(tài)存在，有很好的水溶性，因此實(shí)驗(yàn)主要通過水浸取研究煉鐵燒結(jié)煙塵灰中K+的浸取規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)原料

實(shí)驗(yàn)中所用原料為山東蓬萊某公司煉鐵燒結(jié)煙塵灰，通過對該煉鐵燒結(jié)煙塵灰熒光分析可知，其主要元素為Cl、K、O、Na、Fe、Pb、Ca、Cu、S、Ag等，見表1。

表1 主要化學(xué)元素分析結(jié)果

實(shí)驗(yàn)原料的能譜分析圖見圖1。

通過能譜分析可以看出，原料中含有大量的鉀、氯、氧及一定量的鐵、鉛、鈉和鈣等，硫含量很少，鉀、鈉主要以氯化物的形式存在，而鐵、鉛等主要以氧化物和少量的氯化物形態(tài)存在。實(shí)驗(yàn)中按GB 6549—2011《氯化鉀》中鉀的分析方法進(jìn)行分析測定，煉鐵燒結(jié)煙塵灰原料中w(鉀)為19.82%(折算成鉀元素的含量)。

E/keV圖1 煉鐵燒結(jié)煙塵灰能譜分析

1.2 主要儀器

電熱恒溫水浴鍋：HH-S224，江蘇省醫(yī)療器械廠；精密電動攪拌器：DJ1C，江蘇省金壇市大地自動化儀器廠；鼓風(fēng)干燥箱：FN101-3，長沙儀器儀表廠；循環(huán)水式真空泵：SHZ-D(III)，鞏義市英峪予華儀器廠；電子天平：LT2002，常熟市天量儀器有限責(zé)任公司；電子分析天平：TB-214，上海諾頂儀器設(shè)備有限公司。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

將煉鐵燒結(jié)煙塵灰與水按一定比例加入500 mL燒杯中，在水浴鍋中攪拌，使可溶性氯化鉀、氯化鈉等溶于水。過濾，用150 mL水分3次洗滌濾渣，濾渣放入鼓風(fēng)干燥箱中干燥至質(zhì)量恒定，稱量并研磨，分析渣中的w(鉀)。

1.4 分析方法

按GB 6549—2011《氯化鉀》中鉀的分析方法進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

由于煙塵灰中鉀、鈉等堿金屬的水溶性極強(qiáng)，不需要添加其它浸取試劑就能讓鉀、鈉等直接浸取出來，因此直接選用水來浸取鉀元素。

2.1 浸取溫度對浸取率的影響

溫度為常溫(20 ℃)～70 ℃，浸取時(shí)間為30 min，液固比(水 mL/煙塵灰 g,下同)為2∶1，攪拌速度為350 r/min，考察溫度對鉀浸出率的影響,見圖2。反應(yīng)完成后，過濾分離，水洗滌3次(50 mL/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

由圖2可以看出，隨著浸取溫度的增加，鉀的浸出率呈現(xiàn)小幅度遞增的趨勢，當(dāng)反應(yīng)溫度由常溫增加到70 ℃時(shí)，鉀的浸出率由95.59%上升到97.90%，上升幅度為2.31%。這主要是由于氯化鉀的溶解度隨著溫度的升高而增大，在一定的液固比條件下，隨著溫度的升高，可溶解的氯化鉀量逐漸增大，說明提高溫度，有利于提高氯化鉀的浸出率。由此還可以說明，煉鐵燒結(jié)煙塵灰中的氧化鉀水溶性較強(qiáng)，極易溶解在水中。但由于常溫下燒結(jié)煙塵灰中鉀的浸取率已經(jīng)可以達(dá)到95.59%，隨著溫度的增加，鉀的浸出率緩慢遞增，增幅不大，且從能源利用來看，高溫還存在能耗問題，因此，綜合考慮，選擇浸取溫度常溫為實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件。

t/℃圖2 反應(yīng)溫度對鉀浸出率的影響

2.2 浸取時(shí)間對浸取率的影響

浸取溫度為常溫(20 ℃)，浸取時(shí)間為10～50 min，液固比為2∶1，攪拌速度為350 r/min。反應(yīng)完成后，過濾分離，水洗滌3次(50 mL/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

浸取時(shí)間對浸出率的影響趨勢圖圖3。

t/min圖3 浸取時(shí)間對鉀浸出率的影響

由圖3可以看出，隨著時(shí)間的增加，鉀的浸出率呈現(xiàn)先增后減的趨勢。當(dāng)浸取時(shí)間由10 min增加到30 min時(shí)，鉀的浸出率由90.53%增加到95.59%，增加了5.06%；當(dāng)浸取時(shí)間由30 min繼續(xù)增加到50 min時(shí)，鉀的浸出率呈略微下降的趨勢，由95.59%降到了94.15%，下降了1.44%，降幅不大。由此可以說明，浸取時(shí)間為30 min是鉀浸取實(shí)驗(yàn)的最佳條件，因此選擇浸取時(shí)間30 min為實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件。

2.3 液固比對浸取率的影響

浸取溫度為常溫(20 ℃)，浸取時(shí)間為30 min，液固比分別為1∶1、2∶1、3∶1、4∶1、5∶1，攪拌速度350 r/min。浸取完成后，過濾分離，水洗滌3次(50 mL/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

液固比對鉀浸出率的影響趨勢圖見圖4。

液固比/(mL·g-1)圖4 液固比對鉀浸出率的影響

由圖4可以看出，隨著液固比的增加，鉀的浸出率呈遞增的趨勢。當(dāng)液固比由1∶1增加到2∶1時(shí)，鉀的浸出率由92.73%增加到95.59%，增加了2.86%。當(dāng)液固比由2∶1增加到5∶1時(shí)，鉀的浸出率由95.59%增加到97.15%，增加了1.56%，是一個緩慢上升的過程。原料中w(鉀)=19.82%(折算成氯化鉀的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為37.79%)，100 g原料中含有37.79 g氯化鉀，而常溫(約25 ℃)下氯化鉀的溶解度約為35.5 g，同時(shí)隨著溶液中氯化鈉含量的逐漸增加，會影響氯化鉀的溶解度，使氯化鉀的溶解度降低，由于實(shí)驗(yàn)使用的原料中含有一定量的氯化鈉，所以當(dāng)實(shí)驗(yàn)液固比為1∶1時(shí)，所得的濾液已是氯化鉀的飽和溶液，因此氯化鉀浸出率較低。當(dāng)液固比逐漸增大時(shí)，雖然氯化鉀的溶解度沒有增加，但氯化鉀的溶解總量在逐漸增加，所以實(shí)驗(yàn)液固比由1∶1增加到2∶1時(shí)，氯化鉀的浸出率有較大幅度的增加，且隨著液固比的逐漸增加，氯化鉀的浸出率逐漸增大。綜合考慮到最后需要對氯化鉀進(jìn)行蒸發(fā)結(jié)晶做成產(chǎn)品，故考慮選用液固比2∶1作為實(shí)驗(yàn)最佳工藝條件。

2.4 攪拌速度對浸取率的影響

浸取溫度為常溫(20 ℃)，浸取時(shí)間為30 min，液固比為2∶1，攪拌速度分別為150、250、350、450、550 r/min。浸取完成后，過濾分離，水洗滌3次(50mL/次)，干燥濾渣至質(zhì)量恒定。

攪拌速度對鉀浸出率的影響趨勢圖見圖5。

攪拌速度/(r·min-1)圖5 攪拌速率對鉀浸出率的影響

由圖5可以看出，隨著攪拌速度的增加，鉀的浸出率呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當(dāng)攪拌速度由150 r/min增加到350 r/min時(shí)，鉀的浸出率由94.46%上升到95.59%，上升幅度為1.13%；當(dāng)攪拌速度由350 r/min增加到550 r/min時(shí)，鉀的浸出率由95.59%下降到了92.96%，下降幅度為2.63%。這是由于提高攪拌速度，增強(qiáng)了液體的傳質(zhì)和擴(kuò)散，讓氯化鉀能夠迅速擴(kuò)散在溶液中，使溶解率逐漸升高。但當(dāng)攪拌強(qiáng)度達(dá)到一定程度后，繼續(xù)提高攪拌速度，固相與液相的相對運(yùn)動反而下降了，固液兩相界面的傳質(zhì)速率減小，導(dǎo)致氯化鉀的溶解率降低。因此，實(shí)驗(yàn)選擇攪拌速度350 r/min為最佳工藝條件。

3 結(jié) 論

(1) 用水浸出燒結(jié)煉鐵煙塵灰中氯化鉀是可行的，鉀的浸出率可達(dá)95.59%；

(2) 水浸出煉鐵煙塵灰的最佳工藝條件：液固比為2∶1，浸取時(shí)間為30 min，浸取溫度為室溫(20 ℃)，攪拌速度為350 r/min。

參 考 文 獻(xiàn)：

[1] 陳五平.無機(jī)化工工藝學(xué)中冊：硫酸、磷肥、鉀肥[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2001:20-300.

[2] LI F,YUAN J,LI D,et al.Study on the structure of aqueous potassium chloride solutions using the X-ray diffraction and Raman spectroscopy methods[J].Journal of Molecular Structure,2015,1081(5)：38-43.

[3] LI LI,RE FU-KAITI,HY CHEN,et al.Effect of different potassium chloride content and way on yield and quality of processing tomato by drip irrigation in xinjiang [J].Northern Horticulture,2014(7):162-166.

[4] SAVELLI L,FABBRI F,DONATO N D,et al.Heterotopic interstitial pregnancy successfully treated with ultrasound-guided potassium chloride injection in the ectopic embryo[J].Journal of Obstetrics & Gynaecology,2014,34(3):276-277.

[5] SOGLIA F,PETRACCI M,MUDALAL S,et al.Partial replacement of sodium chloride with potassium chloride in marinated rabbit meat[J].International Journal of Food Science & Technology,2014,49(10):2184-2191.

[6] WEI Y L,MENG Y,TIAN T,et al.Inhibitory effect of potassium chloride as a sodium chloride substitute on biogenic amines in dry-cured perch[J].Food Science,2014,35(3):90-95.

[7] 賈海龍,潘明亮.石灰爐爐灰提取氯化鉀試驗(yàn)研究[J].輕金屬,2007(9):17-20.

[8] 張福利,彭翠,郭占成.燒結(jié)電除塵灰提取氯化鉀實(shí)驗(yàn)研究[J].環(huán)境工程,2009,27：337-340.