利用鉀石鹽太陽池制備氯化鉀實驗研究*

趙啟文，屠蘭英，林澤中，肖　暉

（青海大學化工學院，青海西寧810016）

利用鉀石鹽太陽池制備氯化鉀實驗研究*

趙啟文，屠蘭英，林澤中，肖暉

（青海大學化工學院，青海西寧810016）

以鉀石鹽為原料，以降低回收低品位鉀資源能耗為目的，采用三層水平灌注的方法進行了鉀石鹽太陽池的構建實驗，模擬15℃環(huán)境溫度進行了太陽池運行實驗，以及利用太陽池下對流層溶液制備氯化鉀實驗。結果表明：鉀石鹽太陽池能有效聚集太陽能，運行穩(wěn)定時下對流層最高溫度達到43℃，將鉀石鹽太陽池底部溫度和密度較高的溶液取出，冷卻結晶制得工業(yè)級氯化鉀。

鉀石鹽；太陽池；氯化鉀

太陽池是一種具有一定濃度梯度的鹽水池，兼有太陽能集熱器和蓄熱器的功能，能大面積聚集太陽輻射能、大容量儲熱，并可全天候乃至跨季節(jié)運行［1］。太陽池建造和運行主要因素所占比例［2-3］：太陽能資源占50%、鹽資源占30%、環(huán)境溫度和水利資源各占6%、年降水量與風力各占4%。柴達木盆地太陽能年輻射量為7 000 MJ/m2，鹽資源、水資源豐富，具備建設太陽池的優(yōu)良條件［4］。

中國可溶性鉀資源十分緊缺，主要分布在青海柴達木盆地。近幾年，隨著氯化鉀生產(chǎn)規(guī)模的不斷擴大，導致高品位鉀鹽礦石（氯化鉀質量分數(shù)＞15%）資源短缺，制約了產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。受資源類型限制，中國氯化鉀生產(chǎn)主要以鹽湖鹵水為原料，采用浮選工藝，每生產(chǎn)1 t氯化鉀就產(chǎn)生1～1.2 t氯化鉀質量分數(shù)在2%～7%的浮選尾礦，被當作廢鹽處理掉。另外，柴達木盆地的鹽田邊角處和清池等過程中每年還會產(chǎn)生四五百萬噸低鉀劣質原礦［5-6］。目前國內外回收利用低品位鉀資源主要采用熱溶結晶法生產(chǎn)氯化鉀。低品位鉀礦經(jīng)冷分解脫鎂后得到鉀石鹽，鉀石鹽高溫熱溶分離氯化鈉，冷卻結晶制得氯化鉀。但是，柴達木盆地的低品位鉀資源應用該工藝遇到能耗高、熱溶和分離設備結垢腐蝕嚴重、氯化鈉沉降分離困難等問題，難以獲得良好的經(jīng)濟效益［7-8］。為此，筆者利用鉀石鹽太陽池集聚太陽能，用于降低回收低品位鉀資源能耗的實驗研究。鉀石鹽中氯化鈉的溶解度隨溫度變化不大，而氯化鉀的溶解度隨溫度升高顯著增大，將鉀石鹽太陽池底部溫度較高、溶鉀較多的溶液取出，經(jīng)冷卻結晶就能制得氯化鉀。

1　實驗部分

1.1原料、試劑及儀器

原料：鉀石鹽采自青海鹽湖工業(yè)股份有限公司，經(jīng)檢測其組成及含量（質量分數(shù)）：KCl，31.56%；NaCl，53.52%；CaSO4，0.21%；MgCl2，2.94%；H2O，11.02%；水不溶物，0.75%。

試劑：0.02 mol/L EDTA溶液，0.05 mol/L硝酸銀溶液，酚酞，鈣羧酸指示劑，鉻黑T，pH≈10的NH3-NH4Cl緩沖溶液，硝酸銅，硝酸鉛，氧化鋅，鉻酸鉀，氯化鋇，氯化鉀，氯化鈉，氟化鈉，溴化鉀。

儀器：波美度計，NDJ-5S型旋轉黏度計，DGG-9053AD型電熱恒溫鼓風干燥箱，PB-10型pH計，F(xiàn)P6410型火焰光度計，HI88713-ISO型濁度儀，XSJ-HS/XTJ30型顯微圖像電腦分析系統(tǒng)，鹵水資源開發(fā)研究環(huán)境模擬實驗平臺。

1.2檢測方法

采用EDTA法測定Ca2+、Mg2+；采用重量法測定SO42-；采用銀量法測定Cl-；采用重量法測定水不溶物；采用火焰光度計測定K+、Na+［9］。

1.3鉀石鹽太陽池構建及運行

選取一個長方體蒸發(fā)池作為鉀石鹽太陽池，池四周及底部內外加保溫層后的有效尺寸為90 cm× 54 cm×51 cm。太陽池底部鋪1 cm厚的鉀石鹽，太陽池內溶液總厚度為49 cm，其中上對流層（UCZ）為5 cm、鹽梯度層（NCZ）為29 cm、下對流層（LCZ）為15 cm。分三層灌注鉀石鹽太陽池，各層灌注的鉀石鹽溶液密度：下對流層1.251 5 g/cm3、鹽梯度層1.199 5 g/cm3、上對流層直接用淡水灌注。整個太陽池灌注好后，模擬環(huán)境溫度為15℃、相對濕度為21%的自然條件運行太陽池。

1.4利用太陽池底層溶液制備氯化鉀

太陽池運行穩(wěn)定后，抽取1 000 g下對流層密度和溫度較高的溶液，冷卻到15℃，過濾制得氯化鉀，母液回太陽池循環(huán)利用。

2　結果與討論

2.1鉀石鹽太陽池構建實驗結果

按上述方法灌注好鉀石鹽太陽池后測得各層溶液密度分布見圖1。由圖1可以明顯看出太陽池具有鹽梯度結構，水平方向密度分布均勻，垂直方向形成了顯著的密度梯度。說明分三層水平灌注鉀石鹽太陽池的構建方式可行，各層溶液密度和厚度設計較合理。

圖1　太陽池內鉀石鹽溶液密度隨深度的分布

2.2太陽池運行實驗結果

在模擬環(huán)境溫度為15℃、相對濕度為21%的自然條件運行太陽池，白天光照、晚上關閉，每天檢測各層溫度隨時間的變化，結果見圖2。由圖2可以看出，太陽池運行前2 d溫度升高不明顯，主要是由于池內溶液濁度較高所致。進入太陽池的太陽輻射量由于鹽水的吸收及散射以及懸浮顆粒的吸收、散射和反射而逐漸減弱，僅有一部分到達池底，鹽水的濁度是影響太陽輻射透射率的重要因素。鹽水中不溶物越多，濃度越高，濁度也越高，而且還與不溶物顆粒大小、形狀和折射指數(shù)等性質有關。一般要求上對流層、中間鹽梯度層濁度小于5 NTU，下對流層濁度小于 10 NTU［10］。經(jīng)檢測構建太陽池下對流層溶液濁度為37.5 NTU、鹽梯度層溶液濁度為68.1 NTU。經(jīng)過2 d自然沉降濁度不斷降低，3 d達到要求。溫度開始隨運行天數(shù)顯著上升，運行6 d后趨于平衡，下對流層最高溫度達到43℃。

圖2　太陽池各層溫度隨時間的變化

2.3制備氯化鉀實驗結果

太陽池運行穩(wěn)定后，抽取1 000 g下對流層溶液，冷卻至15℃，有部分鹽結晶析出，經(jīng)過濾得到固相38.6 g、濾液961.4 g。因濾液中溶解有飽和氯化鉀、氯化鈉，故返回太陽池下對流層，再次吸收太陽能升溫、溶解鉀石鹽循環(huán)利用。冷卻結晶過程各階段物料組成見表1。由表1可以看出，結晶析出固相氯化鉀質量分數(shù)為79.63%，經(jīng)洗滌降低氯化鈉、氯化鎂含量，再經(jīng)干燥降低水分含量，制得氯化鉀質量分數(shù)為97.64%的產(chǎn)品，換算成氧化鉀質量分數(shù)為61.73%，達到GB 6549—2011《氯化鉀》Ⅰ類工業(yè)用氯化鉀一等品氧化鉀質量分數(shù)≥60%的指標。

表1　氯化鉀制備過程各階段物料組成

3　結論

1）利用鉀石鹽溶液灌注太陽池，能構建起水平方向密度和溫度分布均勻、垂直方向形成梯度、可穩(wěn)定運行的太陽池，模擬15℃環(huán)境溫度運行時，太陽池的最高溫度達到43℃。2）用太陽池底層溫度和密度較高的溶液，經(jīng)冷卻結晶、過濾洗滌制得工業(yè)級氯化鉀產(chǎn)品。該技術能將柴達木盆地豐富的鹽資源和太陽能資源巧妙結合，可有效降低回收低品位鉀資源過程的能耗。

［1］白生菊.青海地區(qū)太陽池發(fā)電技術開發(fā)應用［J］.青海大學學報：自然科學版，2000，18（1）：42-45.

［2］葛洪川，王士平，李申生.我國大陸地區(qū)建造太陽池的區(qū)劃模型［J］.太陽能學報，1995，16（1）：102-109.

［3］羅莎莎，鄭錦平.太陽池的研究與應用［J］.能源研究與信息，2004，20（1）：29-37.

［4］陳慧玲.柴達木盆地地區(qū)太陽池技術應用研究［J］.青海師范大學學報：自然科學版，2005，16（3）：90-91.

［5］馮躍華，孫成高.從光鹵石反浮選尾礦回收氯化鉀新工藝研究［J］.化工礦物與加工，2013，42（6）：1-3.

［6］邊紅利，呼桂桂.馬海鹽湖浮選法生產(chǎn)氯化鉀排放尾鹽中鉀資源的強制浸取技術研究［J］.鹽湖研究，2014，22（1）：32-36.

［7］張守斌，杜仲謀，趙吉祥.利用熱溶結晶技術生產(chǎn)鉀肥的新工藝［J］.鹽業(yè)與化工，2009，38（6）：51-53.

［8］于雪峰.影響熱溶-冷結晶法制備氯化鉀收率的因素與控制［J］.化肥工業(yè)，2015，42（2）：70-71，74.

［9］中國科學院青海鹽湖研究所分析室.鹵水和鹽的分析方法［M］.北京：科學出版社，1988：42-47.

［10］王祿，孫文策，馬偉，等.太陽池灌注鹵水凈化實驗與中試研究［J］.海洋通報，2005，24（5）：79-84.

聯(lián)系方式：zhqwqd@126.com

Experimental study on preparation of potassium chloride by sylvite solar pond

Zhao Qiwen，Tu Lanying，Lin Zezhong，Xiao Hui
（School of Chemical Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China）

In order to reduce energy consumption，sylvite was used as raw material during the process of recovery of low grade potassium resources.Three layers level perfusion was adopted for sylvite solar pond construction test.In this paper，solar pond running test was carried out under the simulating environment temperature of 15℃and lower troposphere solution of solar pond was utilized to prepare potassium chloride.Results showed that the sylvite solar pond can effectively aggregate solar energy，and the highest temperature can reach 43℃in the lower troposphere during the stable operation.The solution with higher temperature and density from the bottom of sylvite solar pond can be prepared for industrial grade potassium chloride products through the cooling crystallization.

sylvite；solar pond；potassium chloride

TQ131.13

A

1006-4990（2016）06-0029-03

青海省應用基礎研究計劃項目（2015-ZJ-739）；青海大學化工學院科研種子基金項目。

2016-01-16

趙啟文（1968—），男，教授，主要從事化工分離方面的研究。