低鈉光鹵石為原料制備氯化鉀及含水率的影響研究

馬生奎，王 剛，董偉兵，切知加，杜景靈

(1.青海民族大學 化學化工學院，青海 西寧 810007;2.國家民委青藏高原資源化學與生態(tài)環(huán)境保護重點實驗室，青海 西寧 810007;3．青海民族大學 物理與電子信息工程學院，青海 西寧 810007)

氯化鉀中的鉀離子是影響植物生長的重要元素，在農業(yè)生產中，氯化鉀是重要的肥料，國內外生產氯化鉀的主要原料是鉀石鹽礦、光鹵石及鹽湖鹵水等[1]。在應用中可以促進植物進行光合作用,提升植物抵抗力。目前國內化工廠生產鉀肥主要采用以低鈉光鹵石為原料的反浮選—冷分解法生產氯化鉀，但是氯化鉀容易受到水分影響，由于光鹵石在結晶器中分解速率太快，使得溶液體系中的過飽和度難以控制，導致結晶器中氯化鉀爆發(fā)成核，產品具有粒度小、含濕量大、干燥能耗成本高、易板結等問題[2-5]，給鉀肥的高效使用帶來巨大困擾。由于低鈉光鹵石原料生產氯化鉀其中含有Ca2+、Mg2+等, 容易形成含有結晶水的化合物,且氯化鎂具有較高的吸濕性，易潮解，為氯化鉀晶體的結塊提供了條件，且干產品會產生吸潮現(xiàn)象[6-8]。而不同形貌的氯化鉀晶體和大顆粒氯化鉀晶體能夠降低晶體顆粒間的接觸面，降低板結率，降低含水量[9]，部分晶體還具有優(yōu)良特性，如高強度、優(yōu)良的導電特性、溶解速率較慢等優(yōu)點。

靳沙沙等人[10]研究了通過蒸發(fā)結晶、快速冷卻結晶以及添加劑的使用分別制備出球形、針狀和八面體形貌的氯化鉀顆粒。

劉艷霞等人[11]研究了以氯化鎂和氨水為原料，通過水浴加熱的方法制備氧化鎂前驅體氫氧化鎂，并對其含水量進行研究，得到當鎂離子濃度為0.3 mol/L時有最大含水率，且最大含水率為1.044 9%。

錢禮華等人[12]在MSMPR結晶系統(tǒng)中對純氯化鉀及加入2 %的氯化鎂后的溶液與加入光鹵石母液后的溶液進行了氯化鉀結晶動力學研究。研究得出鈉離子、鎂離子的存在對氯化鉀的成核起促進作用，使氯化鉀結晶的成核速率增大，生長速率減小，對光鹵石冷分解制備氯化鉀結晶過程產生不利影響。

文章研究了氯化鉀不同形貌、不同粒度范圍、雜質離子三個因素對氯化鉀結晶含濕量的影響，為鉀肥廠氯化鉀的生產和工藝開發(fā)提供了理論指導。

1 儀器與試劑

儀器。H2X0水分儀(梅特勒-托利多公司);勻速程控恒溫槽，南京先歐儀器制造有限公司；電子天平，上海躍平科學儀器(蘇州制造)；光學顯微鏡；恒溫干燥箱；IKA機械攪拌機；100 mL燒杯；玻璃棒，夾套式結晶器。

試劑。低鈉光鹵石(具體成分見表1)青海省鹽湖集團股份有限公司；氯化鉀(分析純)；氯化鈣(分析純)；氯化鎂(分析純)；氯化鋁(分析純)；氯化鉛(分析純)；超純水(電子級)，實驗室超純水機自制。

表1 低鈉光鹵石組成Tab.1 Composition of low sodium carnallite %

2 實驗方法

2.1 制備不同形貌的氯化鉀晶體并表征

(1)配置60 ℃下低鈉光鹵石飽和溶液，加入Al3+(AlCl30.5 g)勻速降溫至室溫析出大量晶體進行抽濾5 min,取約5.00 g晶體測量含水率，光學顯微鏡進行表征晶體呈現(xiàn)球形結構。

(2)配置60 ℃下低鈉光鹵石飽和溶液，加入Pb2+(PbCl20.5 g)勻速降溫至室溫析出大量晶體進行抽濾5 min,取約5.00 g晶體測量含水率，光學顯微鏡進行表征晶體呈現(xiàn)八面體結構。

(3)配置60 ℃下低鈉光鹵石飽和溶液，快速降溫至室溫析出大量晶體進行抽濾5 min,取約5.00 g晶體測量含水率，光學顯微鏡進行表征晶體呈現(xiàn)針狀結構。

(4)在夾套式結晶器中預先加入低鈉光鹵石分解母液，超純水100 mL選用蠕動泵,以2 mL/min加入結晶器中，低鈉光鹵石100 g緩慢勻速加入至結晶器中，恒定攪拌轉速500 r/min,待結晶過程結束，得到晶體進行抽濾5 min,取約5.00 g晶體測量含水率，光學顯微鏡進行表征晶體呈現(xiàn)立方體結構。表征氯化鉀形貌如圖1。

3 結果與討論

3.1 氯化鉀形貌對其含濕率的影響

在一定溫度下溶解光鹵石，配置光鹵石飽和溶液，在恒溫條件下加入不同賦形離子，制得不同形貌氯化鉀晶體,抽濾5 min，在水分儀中測得含濕率數(shù)據(jù)如表2。

圖1 不同形貌的氯化鉀Fig.1 Potassium chloride with different morphologies

表2 不同形貌的氯化鉀其含水率數(shù)據(jù)Tab.2 Moisture content data of potassium chloride with different morphologies

根據(jù)含濕率數(shù)據(jù)作圖，得到一條曲線，如圖 2。

圖2 形貌對氯化鉀含濕率的影響示意圖Fig.2 Schematic diagram of the effect of morphology on the moisture content of potassium chloride

通過測得形貌對氯化鉀含濕率表征數(shù)據(jù)作圖，從圖2可以看出，3次平行實驗的重復性較好，形貌對氯化鉀含水量較大，通過圖2可知，最低點是八面體氯化鉀即最低含濕率0.077%，最高點是針狀氯化鉀即最高含濕率1.110%。

3.2 粒度對氯化鉀含濕率的影響

不同形貌的氯化鉀通過篩分法，篩出不同粒度范圍的氯化鉀晶體，進行抽濾5 min, 在水分儀中測得含濕率數(shù)據(jù)見表3。

表3 不同粒度范圍的氯化鉀其含水率數(shù)據(jù)Tab.3 Moisture content data of potassium chloride with different particle sizes

根據(jù)含濕率數(shù)據(jù)作圖，得到一條曲線，如圖3。

圖3 粒度對氯化鉀含濕率的影響示意圖Fig.3 Schematic diagram of the effect of particle size on the moisture content of potassium chloride

通過測得粒度對氯化鉀含濕率表征數(shù)據(jù)作圖，圖3可以看出球形氯化鉀、立方體氯化鉀、八面體氯化鉀、在不同粒度范圍下含濕率不同，粒度越小含水率越大，粒度越大含濕率反之越小，綜合分析看來八面體氯化鉀在相圖粒度范圍下相比球形和立方體，含濕率相對較低。

3.3 雜質離子對氯化鉀含濕率的影響

光鹵石制備氯化鉀過程中通過，加入不同濃度的雜質離子，來考察雜質離子對氯化鉀含水率的影響，在水分儀中測得含濕率數(shù)據(jù)見表4。

表4 雜質離子對氯化鉀其含水率數(shù)據(jù)Tab.4 Data of moisture content of impurity ions to potassium chloride

根據(jù)含濕率數(shù)據(jù)作圖，得到一條曲線，如圖4。

圖4 雜質離子對氯化鉀含濕率的影響示意圖Fig.4 Schematic diagram of the effect of impurity ions on the moisture content of potassium chloride

通過測得雜質離子對氯化鉀含濕率表征數(shù)據(jù)作圖，從圖4可以看出加入不同濃度的Na+、Ca2+、Al3+，對氯化鉀含濕率影響不大，相對持平。而Mg2+對氯化鉀含濕率影響較大，在Mg2+濃度為2.0 g/mol時氯化鉀含濕率高達0.666 %，所以在制備氯化鉀過程中應該控制Mg2+含量，從而減少氯化鉀易板結的問題。

4 結論

影響氯化鉀含濕率的因素有很多，如形貌、粒度、體系中的其它離子等，任何一個因素的改變對晶體含濕量的影響都非常大，因此想要獲得含濕量降低的產品，就必須嚴格控制這些因素。文章在實驗室條件下，系統(tǒng)研究了形貌、粒度、雜質離子對氯化鉀結晶含水率的影響，并利用光學顯微鏡、激光粒度分析儀等方法對產品形貌及粒度表征，利用快速水分儀表征氯化鉀產品的含濕量。研究結果表明：不同形貌的氯化鉀產品的含濕率與晶體比表面積有關，形貌和含濕率的關系大小，八面體<球形<立方體<針狀。不同粒度大小的氯化鉀產品中粒度越小含濕率就越大，粒度越大含濕率反而越小。低鈉光鹵石制備氯化鉀結晶過程中光鹵石體系溶液中的其它離子對晶體含濕率都有影響，其中Mg2+影響最大。