硫酸钾于膨润土层间结晶缓释研究＊

刘洪杰,邹 榕,周 莹,梁玉祥

(四川大学化工学院,四川成都 610065)

硫酸钾于膨润土层间结晶缓释研究＊

刘洪杰,邹 榕,周 莹,梁玉祥

(四川大学化工学院,四川成都 610065)

主要从搅拌时间、搅拌速度、矿浆液固质量比以及硫酸钾过饱和度 4个因素研究了硫酸钾于膨润土层间结晶的最佳工艺条件。同时通过正交试验得到其最佳以及主次反应条件,并对产品的缓释效果进行研究。得出硫酸钾于膨润土层间结晶的最佳工艺条件:矿浆液固质量比为 5,搅拌速度为 2 m/s,搅拌时间为 30 min,过饱和度为0.15。由 SEM照片得知留在膨润土中的硫酸钾进入到了层间。

硫酸钾;膨润土;结晶;插层;缓释

1 实验方案

称取一定量的硫酸钾于定量的膨润土中,加入100 mL纯水,在 70℃水浴中于一定的转速下搅拌30 min,再在冷水浴中以 1.1 m/s的速度搅拌1 h[1],同时加入微量的表面活性剂以防止晶核的团聚[2]。抽滤,测定滤液中的硫酸根含量;然后再用 100 mL纯水充分搅拌洗涤滤饼,抽滤测定滤液中的硫酸根含量并由此推算出进入到膨润土层间结晶的硫酸钾含量。

1)硫酸根测定方法

用 BaCl2标准溶液滴定试样中的,采用茜素红为吸附指示剂。滴定时生成的 BaSO4吸附溶液中的,使沉淀带负电荷。当达到等当点后,过量的 Ba2+被硫酸钡吸附,使沉淀带正电荷,此时,带负电荷的指示剂离子被吸附于沉淀表面,与Ba2+生成红色的络合物。溶液中加乙醇可降低 BaSO4溶解度,并能得到表面积较大的细小 BaSO4结晶,使吸附能力增强,终点变色明显。用6 mol/L醋酸溶液调整溶液酸度,使 pH在 3～3.5,避免碳酸根的干扰。

2)仪器和试剂

分析天平,称量瓶,10 mL移液管,250 mL容量瓶,25 mL烧杯,10 mL量筒,30 mL滴瓶。0.2%(质量分数)茜素红指示剂,6 mol/L HAc溶液,无水乙醇,0.05 mol/L BaCl2标准溶液。

3)测定程序

用称量瓶在分析天平上称取硫酸钾溶液 7.5～8 g(准确到 4位小数),置于 250 mL烧杯中,加水100 mL,溶解。溶液移入 250 mL容量瓶,以水稀释至刻度,摇匀。

用移液管取 10 mL稀释液注入 250 mL烧杯中,加 5 mL H2O、茜素红指示剂 6滴、6 mol/L HAc溶液3 mL,摇匀后,再加无水乙醇 10 mL,迅速以0.05 mol/L BaCl2标准溶液滴定,将到终点时每次加入 BaCl2标准溶液应间隔 3～5 s,并充分搅拌,直至悬浊液呈现淡红色为终点。

4)滤液中硫酸钾含量计算方法

式中:V为所消耗 BaCl2标准溶液的体积,mL;c为BaCl2标准溶液的浓度,mol/L;0.174为 K2SO4摩尔质量;m为硫酸钾溶液质量,g。

2 实验结果及讨论

2.1 搅拌速度对硫酸钾层间结晶量的影响

搅拌速度不同其提供的能量也不同。搅拌速度对硫酸钾插入层间的结晶量有很大的影响,影响趋势如图 1所示。从图 1可以看出,一次滤液硫酸钾含量随着搅拌速度的增加而增加,表明随着搅拌速度的增加,溶解于水溶液中的硫酸钾质量也呈增加的趋势。通过对滤饼进行洗涤发现,二次滤饼中的硫酸钾的洗出量呈下降趋势。通过对硫酸钾加入量的物料衡算得出进入到膨润土中结晶的硫酸钾质量。对比发现:在其他条件固定的情况下,插入层间并在洗涤后未被洗出的硫酸钾质量在搅拌速度为1.5 m/s的情况下达到最大,达 4.62 g。

图 1 搅拌速度对硫酸钾插入量的影响

2.2 搅拌时间对硫酸钾层间结晶量的影响

搅拌时间对硫酸钾插入量的影响趋势如图 2所示。从图 2可以看出:虽然在第一次滤液中硫酸钾含量随着搅拌时间的延长呈一定的下降趋势,但其幅度不是很明显。搅拌时间大于 30 min时进入到膨润土层间的硫酸钾量相差不大,都是 2.5 g左右。

图 2 搅拌时间对硫酸钾插入量的影响

2.3 矿浆液固质量比对硫酸钾层间结晶量的影响

矿浆液固质量比对硫酸钾层间结晶量的影响趋势如图 3所示。从图 3可以看出,矿浆液固质量比对硫酸钾层间结晶量有很大的影响。在矿浆液固质量比为6.67时,进入到膨润土层间的硫酸钾达到最大量 5.62 g。由于膨润土层间对进入到层间的和 K+产生竞争吸附作用,当层间的 SiO4-4和和 K+的竞争吸附达到平衡时产生最大的吸附量。矿浆液固质量比过高,提供给硫酸钾进入的空间有限,而且由于硫酸根和钾离子与对和碰撞的几率降低,结合的几率也随之降低,不能最大限度地吸附硫酸钾;而当矿浆液固质量比过低时,由于膨润土自身之间的黏性较强,硫酸根和钾离子进入膨润土内部的几率降低,同时由于大量膨润土的竞争吸附导致硫酸根和钾离子不能顺利进入到层间结晶。

图 3 矿浆液固质量比对硫酸钾插入量的影响

2.4 过饱和度对硫酸钾层间结晶量的影响

过饱和度对形成的晶核数量有较大的影响,过饱和度较高时其在几秒钟内即形成大量的晶核[3],大量的晶核出现就会出现团聚现象,形成大颗粒沉淀析出,不能顺利地进入到膨润土层间。而过饱和度较低时,顺利进入到膨润土层间结晶的硫酸钾含量偏低,工业应用价值不大。实验中在搅拌矿浆由70℃进入到冷水浴中时形成了大量的硫酸钾晶核,为有效阻止晶核之间的团聚,加入了表面活性剂M。过饱和度对硫酸钾层间结晶量的影响趋势如图 4所示。从图 4可以看出:当过饱和度为 0.15时,进入到膨润土层间结晶的硫酸钾质量最大,为 1.82 g。

图 4 过饱和度对硫酸钾插入量的影响

3 正交试验分析

对硫酸钾的4个影响因素做正交试验,找出最主要的影响因素,同时得出最佳的反应条件。正交试验方案及结果见表 1。

表 1 L16(44)正交试验表

从表 1可以看出:在搅拌时间、搅拌速度、矿浆液固质量比以及过饱和度 4个因素中对硫酸钾在膨润土层间结晶量影响最大的是搅拌时间,其次为过饱和度、矿浆液固质量比和搅拌速度。硫酸钾层间结晶的最佳工艺条件是 A2B2C3D2,即搅拌时间为30 min、矿浆液固质量比为 5、搅拌速度为 2 m/s、过饱和度为 0.15。

4 SEM分析结果讨论

对硫酸钾层间结晶后的试样进行电镜分析,结果见图 5。从图 5可见,在一次滤饼中能较为明显地看到硫酸钾大晶粒出现,从其形态上看为包裹于膨润土中,尚未进入到膨润土的层间形成稳定结构;但经二次抽滤后的硫酸钾结晶试样中没有明显的硫酸钾晶粒,处于包裹状态的硫酸钾在一次洗涤后即完全从膨润土中洗去,但膨润土的层间结构很大程度上受到破坏,片层翻卷剥离,表明硫酸钾的进入在一定程度上破坏了膨润土的层状构造,同时由于其在层间的络合效应使得硫酸钾从层间析出的阻力增大,从而达到缓释效果。

图 5 滤饼的 SEM照片

5 结论

硫酸钾于膨润土层间结晶的最佳工艺条件:矿浆液固质量比为 5,搅拌速度为 2 m/s,搅拌时间为30 min,过饱和度为 0.15。由于硫酸钾的进入使膨润土的层状构造在很大程度上受到破坏,而且进入到膨润土层间的硫酸钾晶体与层间的和产生络合作用,阻止硫酸钾在水溶液中析出,以达到缓释的效果,可解决钾肥流失严重的问题。

[1] 王子忱,张丽华,杨永华,等.硫酸钾水溶液亚稳区性质的研究(Ⅲ)——成核诱导期 [J].高等学校化学学报,1991,12(2):259-261.

[2] 漆嘉惠.石膏转化制硫酸钾结晶动力学研究[D].成都:四川大学,2005.

[3] 周素华,李皖,李德华,等.醇对 K2SO4水溶液溶解度的影响[J].贵州化工,1997(4):24-25.

Study on slow-release of potassium sulfate crystallization in benton ite interlayer

Liu Hongjie,Zou Rong,Zhou Ying,Liang Yuxiang
(School of Chem ical Engineer,Sichuan University,Chengdu610065,China)

Optimum process conditions of potassium sulfate crystallization in bentonite interlayerwere studied from four factors,namely stirring time,stirring speed,pulp liquid/solid mass ratio,and supersaturation degree of potassium sulfate.Optimum reaction conditions and primary-secondary reaction conditionswere obtained by orthogonal experiment.Slow-release effect of the product was researched s imultaneously.Optimum process conditions were as follows:pulp liquid/solid mass ratio was 5,stirring speed was 2 m/s,stirring time was 30 min,and degree of supersaturation was 0.15.From the photoes of SE M,potassium sulfate remained in bentonite has entered into the interlayer.

potassium sulfate;bentonite;crystallization;intercalation;slow-release

TQ131.13

A

1006-4990(2010)01-0031-03

国家自然科学基金(50872085)。

2009-07-12

刘洪杰 (1986— ),男,研究生,主要从事层状硅酸盐深度开发研究。

联 系 人:梁玉祥

联系方式:lyxgs623a@163.com