制备大颗粒氯化钾的几种结晶方法研究

2020-07-20杜柄璇林泽中李海朝董伟兵陈许龙王测芳

河南化工 2020年6期

杜柄璇，林泽中*，李海朝，董伟兵，陈许龙，王测芳

(1.青海民族大学化学化工学院，青海西宁 810007；2.青藏高原资源化学与生态环境保护国家民委重点实验室，青海西宁 810007)

氯化钾是高浓度的速效钾肥，有助于农作物的生长，提高植物的抗病抗灾能力，提升植物钾元素的营养状况。在我国南方沿海地区，尤其是广东地区，在钾肥的使用上较为突出，但由于气候湿润，肥料易板结，且还存在颗粒粒径小、质量轻、易被风吹散、不易运输和储存等弊端，使钾肥得不到最大化的利用。结晶过程以制取高质量和适宜粒度的产品为目的，且具有高纯度、高效率、低能耗等优点，因此利用结晶制取大颗粒氯化钾是提高钾肥利用率的一种有效途径。从平面蒸发结晶、自然冷却结晶以及程序降温结晶这三种方式对制取大颗粒氯化钾进行了研究[1]。

1 实验内容

1.1 实验药品与仪器

氯化钾，分析纯，天津市大茂化学试剂厂；DF-101S集热式恒温加热磁力搅拌器，DZF-6090F真空干燥箱，水银温度计，PL203 METTER TO-LEDO电子天平，夹套式结晶器，程序控温恒温槽。

1.2 实验方法

1.2.1平面蒸发结晶

配置一定温度下100 mL的氯化钾饱和溶液，在一定的时间(4 h)里恒温蒸发结晶，固液分离，烘干，得到产品。

平面蒸发结晶实验采用如下方案：温度分别设定50、55、60、65、70、75 ℃，烧杯容量250 mL，蒸发结晶时间4 h。

1.2.2自然冷却结晶

配置一定温度下100 mL的氯化钾饱和溶液，在一定的时间(2 h)里自然冷却结晶，固液分离，烘干，得到产品。自然冷却结晶实验分别设定40、50、60、70、80 ℃，烧杯容量250 mL，结晶时间2 h。

1.2.3程序降温结晶

不同降温速率、搅拌速率以及晶浆浓度下的氯化钾晶体粒径不同。结晶方案如表1所示。

表1 程序降温结晶实验方案

2 结果与分析

2.1 平面蒸发结晶

蒸发温度对氯化钾晶体粒度影响见图1。冷却结晶温度对氯化钾晶体粒径的影响见图2。

图1 蒸发温度对氯化钾晶体粒度的影响

图2 冷却结晶温度对氯化钾晶体粒径的影响

由图1可看出，中温(60～65℃)条件下有利于大颗粒氯化钾的形成。这是由于在高温时，水的蒸发速度较快，溶液过饱和度过高并且在介稳区之外时，不利于氯化钾分子的结晶；在低温时，水的蒸发速度较慢，溶液的状态为较低的过饱和度,并且处于介稳区,晶核形成较多，晶核生长速度较慢；而在中温时水的蒸发速度比较适宜，形成比较理想的过饱和度，有利于氯化钾分子围绕晶核的生长。

由图2可知，氯化钾晶体粒径随温度升高而增大，但在60 ℃以上，氯化钾的粒径增幅降低，综合考虑，选取60 ℃自然冷却结晶易得到大颗粒氯化钾。若过饱和度处于稳定区，不会产生晶核；若过饱和度处于介稳区，只有在外界的干扰下通过成核，易生长形成平均粒度较大的晶体；若过饱和度处于不稳定区，则自发产生较小晶核且难以控制。

2.2 程序降温结晶

2.2.1搅拌速率对晶体粒径的影响

根据实验1#、2#、3#结果，晶体粒径有明显变化。具体表现为：在200 r/min时晶体为爆发式成核，不利于晶体生长；搅拌速率过强时(400 r/min)，一方面颗粒与颗粒间以及颗粒与搅拌桨间碰撞机会增多，晶体容易发生破碎, 进而导致晶体粒度减小，另一方面还会导致溶液混合不均, 出现局部过饱和度过大的问题，从而导致晶体粒度减小；在300 r/min时小颗粒数量较少，大颗粒体积分数相近，颗粒尺寸及形貌差距不大。因此，选取搅拌速率300 r/min，此时易获得大颗粒氯化钾晶体。

2.2.2降温速率对晶体粒径的影响

根据实验2#、6#、7#结果，降温速度为5 ℃/min时晶体粒径最大，10 ℃/min次之，15 ℃/min时晶体粒径最小。同溶液中，结晶温度较低时，过饱和度越大，更容易出现爆发式成核，不利于大颗粒结晶的生长。在较低降温速率时，容易产生粒径大、晶型好、均匀度高的结晶。因此，降温速率选取5 ℃/min，此条件下获得大颗粒氯化钾晶体。

2.2.3晶桨浓度对晶体粒径的影响

根据实验2#、4#、5#结果，加入晶种后的晶体粒度明显高于未加晶种的，且随着加入晶种量的不断增多，得到氯化钾晶体的粒径也逐渐增加。这表明加入晶种有利于促进晶体长大，其主要原理是利用晶种的二次成核过程，减少一次爆发成核现象，诱导成核提早发生。