钾长石制取钾盐的研究综述

2017-06-15田珊崔美子历新宇韩顺玉

科技创新导报 2017年11期

田珊++崔美子++历新宇++韩顺玉

DOI：10.16660/j.cnki.1674-098X.2017.11.122

摘要：清洁高效利用非水溶性钾资源是解决我国水溶性钾资源短缺的有效途径之一。该文从工艺过程的反应原理、资源消耗、环境相容性和热力学原理等方面，简要陈述了利用钾长石制备钾盐/钾肥的方法。通过比较分析发现离子交换法分解钾长石因反应分解彻底、资源利用率高、综合能耗显著降低且环境相容性好，因而具有良好的工业化应用前景。

关键词：钾长石钾盐开发利用

中图分类号：TQ11 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2017）04（b）-0122-03

非水溶性鉀矿资源开发的关键是将富钾矿物分解，使难溶性的K2O转变为水溶性钾化合物。我国很早就开始了这类研究，已报道的方法有30多种[1]。笔者对钾长石释钾工艺进行归纳，可将其归纳为高温反应体系、无机酸分解反应体系、微生物分解体系以及离子交换反应体系等。

1 高温反应体系

1.1 钾长石—石膏—助剂三元法

Bakr MY[2]最早报道了利用石膏与碳酸钙焙烧钾长石制取硫酸钾的工艺，钾的溶出率达到了80%。邱龙会等[3-5]对钾长石—石膏—碳酸钙体系中加入硫酸钠进行了研究，发现该过程受克-金-布固膜扩散控制；加入添加剂令焙烧温度降低50 ℃～100 ℃，钾的分解率达到90%。陈定胜等[6]在研究钾长石—硫酸钙—碳酸钙体系时，钾溶出率为94%。经研究发现钾长石热分解反应的ΔGoT<0。夏举佩等[7]的研究证明高温体系下钾的转化机理。高温反应体系中钾的溶出率较高，但焙烧温度过高，耗能明显等原因，制约了在工业上的发展（见表1）。

1.2 熔盐离子交换法

由于高温有效地破坏钾长石的Si-Al-O的网络结构，进而提高K2O的活度，因此可以通过离子交换进行释钾反应。刘旻等[8]为探究阴离子对钾长石释钾效果的研究，证明了阴离子对钾长石中钾的溶出率存在影响。因此近些年国内外熔盐大部分选择氯化物。

韩孝钊等[9]首次使用离子交换模型进行了实验解释了钾长石与氯化钠的离子交换机理，并计算内扩散离子交换过程的表观活化能约为38.06 kJ/mol；化学交换控制时的表观活化能约为129.69 kJ/mol。彭清静等[10]证实了氯化钙熔浸钾长石提钾过程是一液固相反应过程，通过动力学计算证实整个过程由Ca2+在钾长石内部扩散（即内扩散）所控制，Ca2+扩散时必须克服由邻近负离子所产生的势垒（即化学键）。

胡天喜等[11]以氯化钠与氯化钙混合助剂进行了实验，证明较单独使用氯化钙或氯化钠而言，释钾率明显变高。范丽艳等[12]用Na2CO3为助剂，焙烧后，钾长石分解率可达90%以上。证实该体系机理函数：1-2a/3-（1-a）2/3，动力学补偿效应方程：ln（A/[A]）=0.1408E/[E]+2.9735。李刚等[13]在该体系的基础上提出了钾长石—氯化钙—碳酸钠体系，经实验，钾的提取率高达91.88%（见表2）。

2 无机酸分解体系

长沙化学矿山设计院最早在中国用无机酸分解钾长石，并成功制备了硫酸钾[14]。彭清静等[15]完善了上述工艺，钾的总收率为85.4%。国内学者采用盐酸，磷酸等逐渐替代氢氟酸进行释钾工艺的完善。如韩效钊等[16]分析了钾长石—磷矿—磷酸不同组合反应体系的钾、磷溶出率。郭德月[17]等人建立钾长石磷矿盐酸反应体系，实验优化后，钾和磷的溶出率能达到90%以上（见表3）。

3 微生物分解体系

微生物分解体系的机理分为两种，一是硅酸盐细菌对含钾矿物的溶蚀作用，使矿物颗粒晶格逐渐发生变形或崩解，代谢产物能够对钾主动吸收，使矿物颗粒进行化学降解[18]。二是菌株通过产生葡萄糖有机酸或大量的胞外多糖对钾长石进行溶解，释放矿物中K、Si等元素。易浪波等[19]证明细菌能够有效分解钾长石。钾长石分解菌分解钾长石具有技术流程短、绿色环保等好处，但硅酸盐细菌溶钾的效率低，K2O浸出率仅为12%左右[20]。菌种的繁殖力和生命力对释钾环境要求苛刻，菌种培养周期长等限制了该应用。

4 水热法分解体系

水热法提钾是固液反应，条件温和、过程简单。王忠兵等[20]经优化实验，钾的溶出率可高达90%以上。侯宇刚等[21]证明碱溶体系和磷矿—磷酸—酸溶体系均可经水热法释钾，释钾率为90%以上。马鸿文等[22]对水热工艺进行优化，K2O回收率达94.0%以上，实现乐资源利用率最大化（表4）。

5 其他

微波辐射具有传统加热方式无法比拟的优点，如选择性加热物料，升温快等。在微波磁场中，SiO2、Al2O3等物质对微波能量的吸收存在差异而被选择性的加热，从而出现局部温差，加强了钾长石与助剂的接触面积，从而提高钾离子的溶出率。赵晶星等[23]利用微波辐射协助水热反应进行释钾实验，钾的溶出率达92%。

2016年，张艳芳等[24]在超声波体系下进行了钾长石硫酸酸浸动力学研究，结果表明，超声波能强化钾长石的酸浸过程，钾浸出率可以提高3%～8%。经实验，钾的浸出率可达83.23%。计算活化能为45.69 kJ/mol，属于化学反应控制过程。

6 结语

我国非水溶性钾矿资源丰富，品质良好，为钾盐/钾肥产业的发展提供了良好的资源保障。钾长石开发利用的关键是资源利用率高、一次性源消耗少、能耗低、三废排放接近于零、产品方案合理且附加值高的关键技术。熔盐离子交换分解钾长石工艺具有反应分解彻底，资源利用率高、环境相容性好等特点，是一类具有发展潜力的技术，尽快推进其产业化进程，是解决我国水溶性钾盐资源短缺的有效途径之一。

参考文献

[1] 苏双青，杨静，马鸿文，等.非水溶性钾资源制取钾盐技术评价[J].化工矿物与加工，2014，43（2）：46-51.

[2] Bakr MY，Zatout AA，Mouhamed MA. Orthoclase， gypsum and limestone for production of aluminum salt and potassium salt[J].Interceram，1979，28（1）：34-35.

[3] 邱龙会，王励生，金作美.钾长石—石膏—碳酸钙热分解过程动力学实验研究[J].高校化学工程学报，2000，14（3）：258-283.

[4] 邱龙会，王励生，金作美.钾长石—石膏—碳酸钙热分解烧成物中硫酸钾的浸取过程[J].高校化学工程学报，2000，14（5）：465-469，

[5] 邱龙会，金作美，王励生.钾长石热分解生成硫酸钾的实验研究[J].化肥工业，1999，27（3）：19-21.

[6] 陈定盛，石林，雷强.钾长石—CaCO3—CaSO4体系的热分解反应与ΔG0T计算[J].化工矿物与加工，2008，37（10）：4-7.

[7] 夏举佩，任雪娇，李国斌，等.钾长石—硫酸钙—氧化钙热反应制备可溶性钾机理研究[J].北京工业大学学报，2014，40（11）：1735-1740.

[8] 刘旻.阴离子对熔盐浸取法从钾长石中提钾的影响[J].矿产保护与利用，2005（4）：36-37.

[9] 韩效钊，胡波，陆亚玲.钾长石与氯化钠离子交换动力学[J].化工学报，2006，57（9）：2201-2206.

[10] 彭清静，邹晓勇，黄诚.氯化钠熔浸钾长石提钾过程[J].过程工程学报，2002，2（2）：146-150.

[11] 胡天喜，于建国.CaCl2-NaCl混合助剂分解钾长石提取钾的实验研究[J].非金属矿，2013，36（6）：10-12.

[12] 范丽艳，刘月娥，甄卫军，等.高温煅烧哈密钾长石工艺及热分解动力学研究[J].过程工程学报，2016，16（4）：684-691.

[13] 李刚，朱媛媛，易凌云，等.低品位钾盐助剂焙烧与水浸及结晶制备钾盐[J].过程工程学报，2016，16（4）：684-691.

[14] 申军.钾长石综合利用综述[J].化工矿物与加工，2000，29