鉀長石-磷礦-硝酸脲體系分解鉀長石的探討

趙玲玲，王光龍

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001）

鉀長石-磷礦-硝酸脲體系分解鉀長石的探討

趙玲玲，王光龍

（鄭州大學(xué)化工與能源學(xué)院，河南鄭州 450001）

摘要：詳細研究了鉀長石與磷礦、硝酸脲反應(yīng)的提鉀新工藝，驗證了鉀長石-磷礦-硝酸脲體系分解鉀長石提取有效鉀的可行性。通過正交實驗得到各因素對鉀溶出率影響大小依次為：反應(yīng)溫度>硝酸用量>反應(yīng)時間>尿素與硝酸物質(zhì)的量比。得到適宜的工藝條件：尿素和硝酸物質(zhì)的量比為1:1；5.5 mol/L的硝酸用量為4 mL；反應(yīng)溫度為120℃；反應(yīng)時間為2 h。在此條件下有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。通過單因素尋優(yōu)實驗得出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應(yīng)提取有效鉀的適宜工藝條件：反應(yīng)溫度為105～115℃，硝酸用量約為4.7 mL，反應(yīng)時間約為2 h。

關(guān)鍵詞：鉀長石；硝酸脲；鉀溶出率

鉀是農(nóng)作物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素之一［1］，鉀鹽是自然界中含鉀類礦物的總稱，可分為可溶性與難溶性?？扇苄缘拟淃}資源是現(xiàn)今全球開發(fā)利用的主要鉀資源，而中國可溶性鉀資源稀缺，難溶性的鉀鹽，特別是鉀長石的儲量則非常豐富。鉀長石是一種特殊結(jié)構(gòu)的硅酸鹽［2］，K、Al、Si元素呈穩(wěn)定的四面體網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，化學(xué)性質(zhì)極其穩(wěn)定，除了氫氟酸外，常溫、常壓下幾乎不被任何的酸、堿所分解［3］。鉀長石含有的鉀元素被固定在硅氧-鋁氧四面體網(wǎng)格內(nèi)，不能直接作為含鉀肥料被植物吸收。如何在保證經(jīng)濟性的前提下，將其變成可溶性鉀元素已成為一項世界性的應(yīng)用難題。國內(nèi)外采用了多種工藝進行研究，但都不能滿足節(jié)約資源和環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展工業(yè)化要求［4］。筆者提出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應(yīng)的提鉀新工藝，研究各因素對鉀溶出率的影響，旨在為該工藝的規(guī)模化工業(yè)生產(chǎn)提供理論參考和設(shè)計依據(jù)。

1　實驗部分

1.1實驗原料

實驗所用鉀長石來自河南省三門峽地區(qū)的鉀長石礦，其主要化學(xué)組分如表1所示。

表1　鉀長石礦主要化學(xué)組分%

1.2試劑與儀器

試劑：乙醇、百里香酚藍、檸檬酸、六水氯化鎂、氫氧化鈉、酚酞、四苯硼酸納、尿素和硝酸（質(zhì)量分數(shù)為65%～68%）。

儀器：水熱反應(yīng)釜（聚四氟乙烯內(nèi)襯）、SC202-2AB型電熱鼓風干燥機、CP214型光學(xué)分析天平、35～40 r/min上下旋轉(zhuǎn)式振蕩器。

1.3實驗流程

在反應(yīng)釜中加入一定體積的硝酸和一定質(zhì)量的尿素反應(yīng)制成酸解液，將鉀長石粉與磷礦粉按照一定的質(zhì)量稱量，放入反應(yīng)釜中，在一定溫度下恒溫反應(yīng)一定時間后取出，冷卻至室溫，繼續(xù)熟化1.5h，加20 g/L的檸檬酸200 mL浸取、過濾。量取150 mL濾液，用四苯基合硼酸鉀質(zhì)量法分析濾液中的有效鉀質(zhì)量，計算有效鉀溶出率，計算公式如下：

2　結(jié)果與討論

2.1正交試驗

根據(jù)理論分析和前期的實驗結(jié)果，在固定鉀長石和磷礦的質(zhì)量比為0.8∶1的前提下，選擇尿素和硝酸的物質(zhì)的量比、硝酸用量（mL）、反應(yīng)溫度（℃）、反應(yīng)時間（h），設(shè)計4因素3水平實驗，如表2所示。正交試驗結(jié)果見表3。

表2　正交試驗因素水平表

表3　正交試驗研究結(jié)果

由表3可知，鉀溶出率的優(yōu)水平正交序列為A2B2C3D2，即n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1、硝酸用量為4 mL、反應(yīng)溫度為120℃、反應(yīng)時間為2 h。在此最優(yōu)條件實驗，有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。由表3還可知，影響鉀溶出率的主次因素：反應(yīng)溫度（C）＞硝酸用量（B）＞反應(yīng)時間（D）＞尿素和硝酸物質(zhì)的量比（A）。基于影響因素較大的3個因素（反應(yīng)溫度、硝酸用量、反應(yīng)時間）做進一步的單因素尋優(yōu)實驗。

2.2反應(yīng)溫度對有效鉀溶出率的影響

在硝酸用量為3.5 mL、反應(yīng)時間為2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察反應(yīng)溫度對有效鉀溶出率的影響，結(jié)果見圖1。

圖1　反應(yīng)溫度對有效鉀溶出率的影響

由圖1可知，隨著溫度的升高，有效鉀的溶出率逐漸增加。在75～105℃時，鉀的溶出率增幅明顯，而105℃以后溶出率幾乎恒定。理論分析認為，提高反應(yīng)溫度，酸解液的黏度降低，有利于固液系統(tǒng)反應(yīng)的進行；但另一方面，磷礦分解速率增大，會增加磷酸二氫鈣的過飽和度，過多的磷酸二氫鈣結(jié)晶，不利于固液系統(tǒng)反應(yīng)的進一步深化。這2種因素相互作用，促使整個溫度變化過程中有效鉀的溶出率對溫度的敏感性不同。考慮到溫度提高會導(dǎo)致能量消耗增大，因此選擇較適宜的反應(yīng)溫度為100～110℃。

2.3硝酸（硝酸脲）用量對有效鉀溶出率的影響

在反應(yīng)溫度為105℃、反應(yīng)時間為2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察硝酸用量對有效鉀溶出率的影響，結(jié)果見圖2。

圖2　硝酸用量對有效鉀溶出率的影響

由圖2可知，隨著硝酸用量的增加，有效鉀溶出率呈先上升后下降的趨勢。當硝酸用量為4.7 mL時，有效鉀溶出率達到最大（92.55%）。綜合考慮，實驗選擇適宜的硝酸用量為4.5～5.0 mL。

2.4反應(yīng)時間對有效鉀溶出率的影響

在反應(yīng)溫度為105℃、硝酸用量為4.7 mL、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察反應(yīng)時間對有效鉀溶出率的影響，結(jié)果見圖3。

圖3　反應(yīng)時間對有效鉀溶出率的影響

由圖3可知，延長反應(yīng)時間，有效鉀的溶出率呈上升趨勢，時間越長越有利于體系充分反應(yīng)，也更利于鉀長石硅氧-鋁氧四面體網(wǎng)格結(jié)構(gòu)的破壞，從而使束縛其中的鉀解離出來。然而反應(yīng)超過1.5 h后，隨反應(yīng)時間的延長有效鉀溶出率的增加十分緩慢。綜合考慮，實驗選擇適宜的反應(yīng)時間為1.5～2.5h。

3　結(jié)論

1）實驗表明，鉀長石與磷礦、硝酸脲反應(yīng)提取有效鉀的工藝是可行的。2）通過正交試驗得到優(yōu)水平的工藝條件：反應(yīng)溫度為120℃；反應(yīng)時間為2 h；n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1；5.5 mol/L的硝酸用量為4 mL。在此條件下進行實驗得到有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。3）影響鉀溶出率的主次因素：反應(yīng)溫度＞硝酸用量＞反應(yīng)時間＞尿素與硝酸物質(zhì)的量比。4）通過單因素尋優(yōu)實驗得出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應(yīng)提取有效鉀的工藝適宜條件：反應(yīng)溫度為100～110℃、硝酸用量為4.5～5.0 mL，反應(yīng)時間為1.5～2.5 h。

參考文獻：

［1］韓效釗，劉荃，王忠兵，等.鉀長石與磷礦共酸浸制NPK復(fù)合肥研究［J］.化肥工業(yè)，2009，36（1）：30-33.

［2］饒東生.硅酸鹽物理化學(xué)［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

［3］黃珂，孟小偉，王光龍.鉀長石提鉀研究的進展［J］.磷肥與復(fù)肥，2011，26（5）：16-19.

［4］黃珂，王光龍.鉀長石低溫提鉀工藝的機理探討［J］.化學(xué)工程，2012，40（5）：57-60.

聯(lián)系人：王光龍

聯(lián)系方式：glwang@zzu.edu.cn

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CN，103058150A

中圖分類號：TQ136.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）05-0027-03

收稿日期：2012-11-11

作者簡介：趙玲玲（1983—），女，碩士，主要研究方向為生態(tài)過程與技術(shù)，已公開發(fā)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