钾长石-磷矿-硝酸脲体系分解钾长石的探讨

赵玲玲，王光龙

（郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001）

钾长石-磷矿-硝酸脲体系分解钾长石的探讨

赵玲玲，王光龙

（郑州大学化工与能源学院，河南郑州 450001）

摘要：详细研究了钾长石与磷矿、硝酸脲反应的提钾新工艺，验证了钾长石-磷矿-硝酸脲体系分解钾长石提取有效钾的可行性。通过正交实验得到各因素对钾溶出率影响大小依次为：反应温度>硝酸用量>反应时间>尿素与硝酸物质的量比。得到适宜的工艺条件：尿素和硝酸物质的量比为1:1；5.5 mol/L的硝酸用量为4 mL；反应温度为120℃；反应时间为2 h。在此条件下有效钾的溶出率可达96.23%，水溶性钾溶出率可达29.65%。通过单因素寻优实验得出钾长石与磷矿、硝酸脲反应提取有效钾的适宜工艺条件：反应温度为105～115℃，硝酸用量约为4.7 mL，反应时间约为2 h。

关键词：钾长石；硝酸脲；钾溶出率

钾是农作物生长过程中必不可少的营养元素之一［1］，钾盐是自然界中含钾类矿物的总称，可分为可溶性与难溶性。可溶性的钾盐资源是现今全球开发利用的主要钾资源，而中国可溶性钾资源稀缺，难溶性的钾盐，特别是钾长石的储量则非常丰富。钾长石是一种特殊结构的硅酸盐［2］，K、Al、Si元素呈稳定的四面体网络结构，化学性质极其稳定，除了氢氟酸外，常温、常压下几乎不被任何的酸、碱所分解［3］。钾长石含有的钾元素被固定在硅氧-铝氧四面体网格内，不能直接作为含钾肥料被植物吸收。如何在保证经济性的前提下，将其变成可溶性钾元素已成为一项世界性的应用难题。国内外采用了多种工艺进行研究，但都不能满足节约资源和环境友好的可持续发展工业化要求［4］。笔者提出钾长石与磷矿、硝酸脲反应的提钾新工艺，研究各因素对钾溶出率的影响，旨在为该工艺的规模化工业生产提供理论参考和设计依据。

1　实验部分

1.1实验原料

实验所用钾长石来自河南省三门峡地区的钾长石矿，其主要化学组分如表1所示。

表1　钾长石矿主要化学组分%

1.2试剂与仪器

试剂：乙醇、百里香酚蓝、柠檬酸、六水氯化镁、氢氧化钠、酚酞、四苯硼酸纳、尿素和硝酸（质量分数为65%～68%）。

仪器：水热反应釜（聚四氟乙烯内衬）、SC202-2AB型电热鼓风干燥机、CP214型光学分析天平、35～40 r/min上下旋转式振荡器。

1.3实验流程

在反应釜中加入一定体积的硝酸和一定质量的尿素反应制成酸解液，将钾长石粉与磷矿粉按照一定的质量称量，放入反应釜中，在一定温度下恒温反应一定时间后取出，冷却至室温，继续熟化1.5h，加20 g/L的柠檬酸200 mL浸取、过滤。量取150 mL滤液，用四苯基合硼酸钾质量法分析滤液中的有效钾质量，计算有效钾溶出率，计算公式如下：

2　结果与讨论

2.1正交试验

根据理论分析和前期的实验结果，在固定钾长石和磷矿的质量比为0.8∶1的前提下，选择尿素和硝酸的物质的量比、硝酸用量（mL）、反应温度（℃）、反应时间（h），设计4因素3水平实验，如表2所示。正交试验结果见表3。

表2　正交试验因素水平表

表3　正交试验研究结果

由表3可知，钾溶出率的优水平正交序列为A2B2C3D2，即n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1、硝酸用量为4 mL、反应温度为120℃、反应时间为2 h。在此最优条件实验，有效钾的溶出率可达96.23%，水溶性钾溶出率可达29.65%。由表3还可知，影响钾溶出率的主次因素：反应温度（C）＞硝酸用量（B）＞反应时间（D）＞尿素和硝酸物质的量比（A）。基于影响因素较大的3个因素（反应温度、硝酸用量、反应时间）做进一步的单因素寻优实验。

2.2反应温度对有效钾溶出率的影响

在硝酸用量为3.5 mL、反应时间为2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的条件下，考察反应温度对有效钾溶出率的影响，结果见图1。

图1　反应温度对有效钾溶出率的影响

由图1可知，随着温度的升高，有效钾的溶出率逐渐增加。在75～105℃时，钾的溶出率增幅明显，而105℃以后溶出率几乎恒定。理论分析认为，提高反应温度，酸解液的黏度降低，有利于固液系统反应的进行；但另一方面，磷矿分解速率增大，会增加磷酸二氢钙的过饱和度，过多的磷酸二氢钙结晶，不利于固液系统反应的进一步深化。这2种因素相互作用，促使整个温度变化过程中有效钾的溶出率对温度的敏感性不同。考虑到温度提高会导致能量消耗增大，因此选择较适宜的反应温度为100～110℃。

2.3硝酸（硝酸脲）用量对有效钾溶出率的影响

在反应温度为105℃、反应时间为2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的条件下，考察硝酸用量对有效钾溶出率的影响，结果见图2。

图2　硝酸用量对有效钾溶出率的影响

由图2可知，随着硝酸用量的增加，有效钾溶出率呈先上升后下降的趋势。当硝酸用量为4.7 mL时，有效钾溶出率达到最大（92.55%）。综合考虑，实验选择适宜的硝酸用量为4.5～5.0 mL。

2.4反应时间对有效钾溶出率的影响

在反应温度为105℃、硝酸用量为4.7 mL、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的条件下，考察反应时间对有效钾溶出率的影响，结果见图3。

图3　反应时间对有效钾溶出率的影响

由图3可知，延长反应时间，有效钾的溶出率呈上升趋势，时间越长越有利于体系充分反应，也更利于钾长石硅氧-铝氧四面体网格结构的破坏，从而使束缚其中的钾解离出来。然而反应超过1.5 h后，随反应时间的延长有效钾溶出率的增加十分缓慢。综合考虑，实验选择适宜的反应时间为1.5～2.5h。

3　结论

1）实验表明，钾长石与磷矿、硝酸脲反应提取有效钾的工艺是可行的。2）通过正交试验得到优水平的工艺条件：反应温度为120℃；反应时间为2 h；n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1；5.5 mol/L的硝酸用量为4 mL。在此条件下进行实验得到有效钾的溶出率可达96.23%，水溶性钾溶出率可达29.65%。3）影响钾溶出率的主次因素：反应温度＞硝酸用量＞反应时间＞尿素与硝酸物质的量比。4）通过单因素寻优实验得出钾长石与磷矿、硝酸脲反应提取有效钾的工艺适宜条件：反应温度为100～110℃、硝酸用量为4.5～5.0 mL，反应时间为1.5～2.5 h。

参考文献：

［1］韩效钊，刘荃，王忠兵，等.钾长石与磷矿共酸浸制NPK复合肥研究［J］.化肥工业，2009，36（1）：30-33.

［2］饶东生.硅酸盐物理化学［M］.北京：冶金工业出版社，1980.

［3］黄珂，孟小伟，王光龙.钾长石提钾研究的进展［J］.磷肥与复肥，2011，26（5）：16-19.

［4］黄珂，王光龙.钾长石低温提钾工艺的机理探讨［J］.化学工程，2012，40（5）：57-60.

联系人：王光龙

联系方式：glwang@zzu.edu.cn

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CN，103058150A

中图分类号：TQ136.1

文献标识码：A

文章编号：1006-4990（2013）05-0027-03

收稿日期：2012-11-11

作者简介：赵玲玲（1983—），女，硕士，主要研究方向为生态过程与技术，已公开发表文章1篇。

Study on extraction of potassium feldspar from potassium feldspar-phosphate rock-urea nitrate system

Zhao Lingling，Wang Guanglong
（School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：New technology of refining potassium from the potassium feldspar-phosphate rock-urea nitrate system was studied in detail，the feasibility of this system to resolve potassium feldspar extracting effective potassium was validated.The orthogonal experiment results showed that the sequence of factors which affected potassium extraction ratio was:reaction temperature>dosage of nitric acid>reaction time>the amount-of-substance ratio of urea to nitric acid.The suitable technology conditions were obtained as follows：the amount-of-substance ratio of urea to nitric acid was 1∶1，nitric acid（5.5 mol/L）dosage was 4 mL，reaction temperature was 120℃，and reaction time was 2 h.Under those conditions，the effective potassium extraction rate could be up to 96.23%，and water-soluble potassium extraction rate reached 29.65%.The suitable technology conditions through the optimization of single factor experiments were as follows:reaction temperature was at 105～115℃，dosage of nitric acid was about 4.7 mL，and reaction time was about 2 h.

Key words：potassium feldspar；urea nitrate；potassium extraction rate