劉洪杰,鄒 榕,周 瑩,梁玉祥

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川成都 610065)

硫酸鉀于膨潤(rùn)土層間結(jié)晶緩釋研究＊

劉洪杰,鄒 榕,周 瑩,梁玉祥

(四川大學(xué)化工學(xué)院,四川成都 610065)

主要從攪拌時(shí)間、攪拌速度、礦漿液固質(zhì)量比以及硫酸鉀過飽和度 4個(gè)因素研究了硫酸鉀于膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的最佳工藝條件。同時(shí)通過正交試驗(yàn)得到其最佳以及主次反應(yīng)條件,并對(duì)產(chǎn)品的緩釋效果進(jìn)行研究。得出硫酸鉀于膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的最佳工藝條件:礦漿液固質(zhì)量比為 5,攪拌速度為 2 m/s,攪拌時(shí)間為 30 min,過飽和度為0.15。由 SEM照片得知留在膨潤(rùn)土中的硫酸鉀進(jìn)入到了層間。

硫酸鉀;膨潤(rùn)土;結(jié)晶;插層;緩釋

1 實(shí)驗(yàn)方案

稱取一定量的硫酸鉀于定量的膨潤(rùn)土中,加入100 mL純水,在 70℃水浴中于一定的轉(zhuǎn)速下攪拌30 min,再在冷水浴中以 1.1 m/s的速度攪拌1 h[1],同時(shí)加入微量的表面活性劑以防止晶核的團(tuán)聚[2]。抽濾,測(cè)定濾液中的硫酸根含量;然后再用 100 mL純水充分?jǐn)嚢柘礈鞛V餅,抽濾測(cè)定濾液中的硫酸根含量并由此推算出進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的硫酸鉀含量。

1)硫酸根測(cè)定方法

用 BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定試樣中的,采用茜素紅為吸附指示劑。滴定時(shí)生成的 BaSO4吸附溶液中的,使沉淀帶負(fù)電荷。當(dāng)達(dá)到等當(dāng)點(diǎn)后,過量的 Ba2+被硫酸鋇吸附,使沉淀帶正電荷,此時(shí),帶負(fù)電荷的指示劑離子被吸附于沉淀表面,與Ba2+生成紅色的絡(luò)合物。溶液中加乙醇可降低 BaSO4溶解度,并能得到表面積較大的細(xì)小 BaSO4結(jié)晶,使吸附能力增強(qiáng),終點(diǎn)變色明顯。用6 mol/L醋酸溶液調(diào)整溶液酸度,使 pH在 3～3.5,避免碳酸根的干擾。

2)儀器和試劑

分析天平,稱量瓶,10 mL移液管,250 mL容量瓶,25 mL燒杯,10 mL量筒,30 mL滴瓶。0.2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))茜素紅指示劑,6 mol/L HAc溶液,無水乙醇,0.05 mol/L BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液。

3)測(cè)定程序

用稱量瓶在分析天平上稱取硫酸鉀溶液 7.5～8 g(準(zhǔn)確到 4位小數(shù)),置于 250 mL燒杯中,加水100 mL,溶解。溶液移入 250 mL容量瓶,以水稀釋至刻度,搖勻。

用移液管取 10 mL稀釋液注入 250 mL燒杯中,加 5 mL H2O、茜素紅指示劑 6滴、6 mol/L HAc溶液3 mL,搖勻后,再加無水乙醇 10 mL,迅速以0.05 mol/L BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,將到終點(diǎn)時(shí)每次加入 BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液應(yīng)間隔 3～5 s,并充分?jǐn)嚢?直至懸濁液呈現(xiàn)淡紅色為終點(diǎn)。

4)濾液中硫酸鉀含量計(jì)算方法

式中:V為所消耗 BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液的體積,mL;c為BaCl2標(biāo)準(zhǔn)溶液的濃度,mol/L;0.174為 K2SO4摩爾質(zhì)量;m為硫酸鉀溶液質(zhì)量,g。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 攪拌速度對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響

攪拌速度不同其提供的能量也不同。攪拌速度對(duì)硫酸鉀插入層間的結(jié)晶量有很大的影響,影響趨勢(shì)如圖 1所示。從圖 1可以看出,一次濾液硫酸鉀含量隨著攪拌速度的增加而增加,表明隨著攪拌速度的增加,溶解于水溶液中的硫酸鉀質(zhì)量也呈增加的趨勢(shì)。通過對(duì)濾餅進(jìn)行洗滌發(fā)現(xiàn),二次濾餅中的硫酸鉀的洗出量呈下降趨勢(shì)。通過對(duì)硫酸鉀加入量的物料衡算得出進(jìn)入到膨潤(rùn)土中結(jié)晶的硫酸鉀質(zhì)量。對(duì)比發(fā)現(xiàn):在其他條件固定的情況下,插入層間并在洗滌后未被洗出的硫酸鉀質(zhì)量在攪拌速度為1.5 m/s的情況下達(dá)到最大,達(dá) 4.62 g。

圖 1 攪拌速度對(duì)硫酸鉀插入量的影響

2.2 攪拌時(shí)間對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響

攪拌時(shí)間對(duì)硫酸鉀插入量的影響趨勢(shì)如圖 2所示。從圖 2可以看出:雖然在第一次濾液中硫酸鉀含量隨著攪拌時(shí)間的延長(zhǎng)呈一定的下降趨勢(shì),但其幅度不是很明顯。攪拌時(shí)間大于 30 min時(shí)進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間的硫酸鉀量相差不大,都是 2.5 g左右。

圖 2 攪拌時(shí)間對(duì)硫酸鉀插入量的影響

2.3 礦漿液固質(zhì)量比對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響

礦漿液固質(zhì)量比對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響趨勢(shì)如圖 3所示。從圖 3可以看出,礦漿液固質(zhì)量比對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量有很大的影響。在礦漿液固質(zhì)量比為6.67時(shí),進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間的硫酸鉀達(dá)到最大量 5.62 g。由于膨潤(rùn)土層間對(duì)進(jìn)入到層間的和 K+產(chǎn)生競(jìng)爭(zhēng)吸附作用,當(dāng)層間的 SiO4-4和和 K+的競(jìng)爭(zhēng)吸附達(dá)到平衡時(shí)產(chǎn)生最大的吸附量。礦漿液固質(zhì)量比過高,提供給硫酸鉀進(jìn)入的空間有限,而且由于硫酸根和鉀離子與對(duì)和碰撞的幾率降低,結(jié)合的幾率也隨之降低,不能最大限度地吸附硫酸鉀;而當(dāng)?shù)V漿液固質(zhì)量比過低時(shí),由于膨潤(rùn)土自身之間的黏性較強(qiáng),硫酸根和鉀離子進(jìn)入膨潤(rùn)土內(nèi)部的幾率降低,同時(shí)由于大量膨潤(rùn)土的競(jìng)爭(zhēng)吸附導(dǎo)致硫酸根和鉀離子不能順利進(jìn)入到層間結(jié)晶。

圖 3 礦漿液固質(zhì)量比對(duì)硫酸鉀插入量的影響

2.4 過飽和度對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響

過飽和度對(duì)形成的晶核數(shù)量有較大的影響,過飽和度較高時(shí)其在幾秒鐘內(nèi)即形成大量的晶核[3],大量的晶核出現(xiàn)就會(huì)出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象,形成大顆粒沉淀析出,不能順利地進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間。而過飽和度較低時(shí),順利進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的硫酸鉀含量偏低,工業(yè)應(yīng)用價(jià)值不大。實(shí)驗(yàn)中在攪拌礦漿由70℃進(jìn)入到冷水浴中時(shí)形成了大量的硫酸鉀晶核,為有效阻止晶核之間的團(tuán)聚,加入了表面活性劑M。過飽和度對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶量的影響趨勢(shì)如圖 4所示。從圖 4可以看出:當(dāng)過飽和度為 0.15時(shí),進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的硫酸鉀質(zhì)量最大,為 1.82 g。

圖 4 過飽和度對(duì)硫酸鉀插入量的影響

3 正交試驗(yàn)分析

對(duì)硫酸鉀的4個(gè)影響因素做正交試驗(yàn),找出最主要的影響因素,同時(shí)得出最佳的反應(yīng)條件。正交試驗(yàn)方案及結(jié)果見表 1。

表 1 L16(44)正交試驗(yàn)表

從表 1可以看出:在攪拌時(shí)間、攪拌速度、礦漿液固質(zhì)量比以及過飽和度 4個(gè)因素中對(duì)硫酸鉀在膨潤(rùn)土層間結(jié)晶量影響最大的是攪拌時(shí)間,其次為過飽和度、礦漿液固質(zhì)量比和攪拌速度。硫酸鉀層間結(jié)晶的最佳工藝條件是 A2B2C3D2,即攪拌時(shí)間為30 min、礦漿液固質(zhì)量比為 5、攪拌速度為 2 m/s、過飽和度為 0.15。

4 SEM分析結(jié)果討論

對(duì)硫酸鉀層間結(jié)晶后的試樣進(jìn)行電鏡分析,結(jié)果見圖 5。從圖 5可見,在一次濾餅中能較為明顯地看到硫酸鉀大晶粒出現(xiàn),從其形態(tài)上看為包裹于膨潤(rùn)土中,尚未進(jìn)入到膨潤(rùn)土的層間形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu);但經(jīng)二次抽濾后的硫酸鉀結(jié)晶試樣中沒有明顯的硫酸鉀晶粒,處于包裹狀態(tài)的硫酸鉀在一次洗滌后即完全從膨潤(rùn)土中洗去,但膨潤(rùn)土的層間結(jié)構(gòu)很大程度上受到破壞,片層翻卷剝離,表明硫酸鉀的進(jìn)入在一定程度上破壞了膨潤(rùn)土的層狀構(gòu)造,同時(shí)由于其在層間的絡(luò)合效應(yīng)使得硫酸鉀從層間析出的阻力增大,從而達(dá)到緩釋效果。

圖 5 濾餅的 SEM照片

5 結(jié)論

硫酸鉀于膨潤(rùn)土層間結(jié)晶的最佳工藝條件:礦漿液固質(zhì)量比為 5,攪拌速度為 2 m/s,攪拌時(shí)間為30 min,過飽和度為 0.15。由于硫酸鉀的進(jìn)入使膨潤(rùn)土的層狀構(gòu)造在很大程度上受到破壞,而且進(jìn)入到膨潤(rùn)土層間的硫酸鉀晶體與層間的和產(chǎn)生絡(luò)合作用,阻止硫酸鉀在水溶液中析出,以達(dá)到緩釋的效果,可解決鉀肥流失嚴(yán)重的問題。

[1] 王子忱,張麗華,楊永華,等.硫酸鉀水溶液亞穩(wěn)區(qū)性質(zhì)的研究(Ⅲ)——成核誘導(dǎo)期 [J].高等學(xué)?；瘜W(xué)學(xué)報(bào),1991,12(2):259-261.

[2] 漆嘉惠.石膏轉(zhuǎn)化制硫酸鉀結(jié)晶動(dòng)力學(xué)研究[D].成都:四川大學(xué),2005.

[3] 周素華,李皖,李德華,等.醇對(duì) K2SO4水溶液溶解度的影響[J].貴州化工,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

國(guó)家自然科學(xué)基金(50872085)。

2009-07-12

劉洪杰 (1986— ),男,研究生,主要從事層狀硅酸鹽深度開發(fā)研究。

聯(lián) 系 人:梁玉祥

聯(lián)系方式:lyxgs623a@163.com