綠色肥料的制備方法

張瑞潔 施軍營 平義超 喬如林 王超(藍德環(huán)?？萍技瘓F股份有限公司，山東 德州 253000)

0 引言

在當(dāng)前我國愈發(fā)重視環(huán)境保護的趨勢下，使得發(fā)展生態(tài)變得愈發(fā)重要。綠色肥料的應(yīng)用是實現(xiàn)人與自然和諧相處的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一，但由于各地對肥料制備缺乏認知，出現(xiàn)了環(huán)境惡化的現(xiàn)象。為實現(xiàn)經(jīng)濟的可持續(xù)發(fā)展，需要對肥料制備方法進行創(chuàng)新，以達到維持生態(tài)平衡保護環(huán)境的要求。綠色理念下的硫酸鉀肥料不僅能夠在最大程度上滿足農(nóng)作物生長需求，且可以避免病蟲害的侵襲，在此過程中保護生態(tài)環(huán)境，已成為我國經(jīng)濟發(fā)展的一種重要技術(shù)，對實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展有著推動性作用。

1 制備綠色肥料的意義

中國是鉀資源相對短缺的國家，已探明地質(zhì)儲量約10億t，主要分布在青海、西藏和云南三省，但其不僅是植物生長必須的三大營養(yǎng)元素之一，也是動植物生長發(fā)育過程中不可或缺的營養(yǎng)元素。受鉀鹽成礦地質(zhì)條件影響，全球鉀鹽資源的分布高度集中，主要分布在歐洲、北美等地區(qū)，加拿大、白俄羅斯和俄羅斯3個國家就占了全球總儲量的70%，而中國、美國、德國、智利、英國、巴西6個國家鉀鹽儲量約占全球總量的24%，可以看出資源的高度集中性[1]。鉀鹽是重要的肥料，對絕大多數(shù)農(nóng)作物都有明顯的增產(chǎn)效果，所以鉀資源日益成為關(guān)系國家糧食安全戰(zhàn)略意義的重要資源。

硫酸鉀是鉀肥中的重要品種，使用硫酸鉀既可提高作物產(chǎn)量，還可改善其品質(zhì)，用于缺硫土壤，可提高作物的抗病能力，其作為一種優(yōu)質(zhì)肥料，鹽堿地指數(shù)僅是氯化鉀的40%左右，特別適合于一些如煙草、西瓜、茶葉、柑桔、葡萄等忌氯的經(jīng)濟作物。制備硫酸鉀綠色生態(tài)肥料的方法大致可劃分為3大類：

(1)利用硫酸鹽礦或多組分的鉀鹽礦制取硫酸鉀，該方法的操作較為簡單，且成本較低。

(2)利用鹽湖鹵水及地下鹵水制取硫酸鉀，利用鹽湖鹵水生產(chǎn)硫酸鉀不需要另外加任何原料，投資少、腐蝕小，不會對周邊生態(tài)造成污染。

(3)利用硫酸或硫酸鹽與氯化鉀轉(zhuǎn)化制取硫酸鉀，包括曼海姆法、締置法、硫酸銨轉(zhuǎn)化法、芒硝轉(zhuǎn)化法等。

本文將以芒硝轉(zhuǎn)化為主，對鉀芒硝和硫酸鉀制備的條件進行了研究，此法制得的硫酸鉀能達到GB/T 20406—2017《硫酸鉀應(yīng)用規(guī)范》中水鹽體系粉末結(jié)晶狀優(yōu)等品的技術(shù)要求，詳見表1，為復(fù)分解法制備硫酸鉀提供理論支持，在此基礎(chǔ)上淺談綠色肥料的制備。

表1 硫酸鉀鉀肥國家標(biāo)準(zhǔn)

2 生態(tài)肥料制備的重要作用

相對傳統(tǒng)肥料制備而言，必須要以保護、改善生態(tài)環(huán)境為基礎(chǔ)，遵循生態(tài)學(xué)、生態(tài)經(jīng)濟學(xué)規(guī)律，生態(tài)肥料制備可以在一定程度上，有效提高肥料產(chǎn)量，并在此基礎(chǔ)上節(jié)約成本、減少環(huán)境污染。在生態(tài)經(jīng)濟建設(shè)中，肥料制備有著重要作用，其不僅能夠使植物的生長更健康，還能夠保護植物的生長環(huán)境。當(dāng)前我國生態(tài)部門已將肥料制備應(yīng)用放在肥料制備行業(yè)發(fā)展的首要位置，以此促進我國經(jīng)濟的發(fā)展。在以往農(nóng)作物種植中，部分農(nóng)民為保證其質(zhì)量和產(chǎn)量，會通過大量施加乙烯或乙醇的方式提高農(nóng)副產(chǎn)品產(chǎn)量，但極其容易引起面源污染，如發(fā)生面源污染，將會對我國造成巨大經(jīng)濟損失。

引入硫酸鉀肥料制備則可以將生產(chǎn)方式創(chuàng)新，在保證農(nóng)作物質(zhì)量和產(chǎn)量的同時，減少對生態(tài)環(huán)境的危害[2]。芒硝制鉀肥的運用需要著重關(guān)注栽培技術(shù)、旱地栽培技術(shù)等，可以說生態(tài)是運用系統(tǒng)工程方法和現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)，從而提高技術(shù)的應(yīng)用效果。芒硝制鉀肥可以實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品安全無公害，可通過多種方式來規(guī)避病蟲害對農(nóng)作物的影響，增強農(nóng)產(chǎn)品的綠色特性，降低病蟲害對農(nóng)作物的影響。將其應(yīng)用在生態(tài)發(fā)展中，可以建立長期穩(wěn)定的發(fā)展模式，加強對鉀肥的應(yīng)用制造，從而維持生態(tài)環(huán)境的平衡，增加經(jīng)濟效益。因此，需要進一步完善肥料制備，使農(nóng)作物滿足綠色農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)要求，為人們提供更加安全、可靠的食物，節(jié)約不必要的成本支出，發(fā)揮現(xiàn)代化技術(shù)的作用。

3 生態(tài)肥料制備的實施與應(yīng)用

所謂的生態(tài)肥料制備，就是突出高產(chǎn)、優(yōu)質(zhì)、高效、生態(tài)、安全支撐作用[3]?，F(xiàn)代肥料制備正朝著微觀與宏觀兩個方向發(fā)展，應(yīng)用生態(tài)學(xué)和系統(tǒng)工程學(xué)的原理和方法，能夠在宏觀指導(dǎo)下進行微觀研究，建立肥料應(yīng)用決策體系。發(fā)展生態(tài)營造有利環(huán)境，構(gòu)建立體化的肥料制備體系。在利用芒硝制鉀肥的過程中，必須明確技術(shù)的使用方法并控制用量，做好降排的工作，貫穿到農(nóng)作物種植的始末，在種植前認真整地，為農(nóng)作物生長構(gòu)建安全的環(huán)境。

利用芒硝制鉀肥的方法之所以在我國具有如此大的吸收引力，其原因在于我國有著極其豐富的芒硝資源[4]，且對于鉀肥有很大的需求量，產(chǎn)生的副產(chǎn)品氯化鈉可以做融雪劑，滿足我國資源二次利用的需求，避免國際上的硫酸轉(zhuǎn)化法對生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕性及對操作人員的潛在的危險性，解決了高溫條件下比較難于操作的問題及對設(shè)備的材質(zhì)要求比較高，且能耗高，爐體難以進行維修等難題，將微觀資料進行宏觀分析和處理，在微觀方面，運用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)成果和現(xiàn)代管理手段，以及傳統(tǒng)肥料制備的有效經(jīng)驗，最終獲得較高的經(jīng)濟效益、生態(tài)效益和社會效益，以此對肥料機理進行分析，并建立一支專業(yè)化的隊伍，以此為我國肥料研制提供理論依據(jù)，滿足生態(tài)的發(fā)展目標(biāo)。

4 制備綠色肥料的實驗

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，對產(chǎn)品品質(zhì)及技術(shù)的要求也是不斷變化的，實驗需要在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，對工業(yè)生產(chǎn)過程中的綠色環(huán)保提出更高的要求。芒硝轉(zhuǎn)化法制備鉀肥生產(chǎn)工藝具有綠色環(huán)保，無廢水、廢氣、廢料排出，且生產(chǎn)條件溫和，物料循環(huán)利用、轉(zhuǎn)化率高、整個工藝流程操作簡單、方便。

4.1 實驗原理

芒硝轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)K2SO4的方法是將芒硝與KCl反應(yīng)首先生成鉀芒硝，然后將分離出的鉀芒硝進一步與KCl反應(yīng)生成K2SO4和NaCl，經(jīng)分離、干燥制得K2SO4的工藝過程。芒硝轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)硫酸鉀的理論依據(jù)是K+、Na+//Cl-、SO42--H2O四元水鹽體系相圖。根據(jù)各種鹽在不同溫度下溶解度不同的差別，來進行結(jié)晶分離。KCl、NaCl、K2SO4、Na2SO4為四種鹽與水構(gòu)成四元水鹽體系。在任何溫度下，K2SO4與NaCl的結(jié)晶區(qū)互不相鄰。因此，KCl與Na2SO4必須通過兩段轉(zhuǎn)化才能制取K2SO4。以芒硝、KCl和水為原料按一定比例配成混合液，通過復(fù)分解反應(yīng)可以生成固相K2SO4，而反應(yīng)副產(chǎn)物NaCl則殘留于溶液中。

4.2 鉀芒硝制備

芒硝轉(zhuǎn)化法生產(chǎn)硫酸鉀的理論依據(jù)是K+、Na+//Cl-、SO42--H2O四元水鹽體系相圖。根據(jù)各種鹽在不同溫度下溶解度不同的差別，來進行結(jié)晶分離。KCl、NaCl、K2SO4、Na2SO4為四種鹽與水構(gòu)成四元水鹽體系。其中，NaCl與K2SO4，Na2SO4與KCl互為鹽對。在任何溫度下，K2SO4與NaCl的結(jié)晶區(qū)互不相鄰，KCl與芒硝必須通過兩段轉(zhuǎn)化才能制取K2SO4，以芒硝、KCl和水為原料按一定比例配成混合液，通過復(fù)分解反應(yīng)可以生成固相K2SO4。

4.3 實驗步驟

實驗用芒硝(Na2SO4·10H2O)為原料，反應(yīng)溫度為25～30℃，每步反應(yīng)時間為2～3h，采用“兩部反應(yīng)，一步蒸發(fā)”的實驗工藝，第一步Na2SO4·10H2O、KCl和水按一定比例混合反應(yīng)分離后固體為鉀芒硝，母液進行濃縮蒸發(fā)分離出副產(chǎn)品NaCl；第二步為一步鉀芒硝、KCl和水按一定比例混合反應(yīng)，進行固液分離得產(chǎn)品K2SO4，兩步反應(yīng)分離后的母液參與到下個生產(chǎn)循環(huán)。

4.4 條件研究

固液分離是在負壓條件下分離的，水分的蒸發(fā)使NaCl從溶液中析出，在樣品的烘干過程中同樣有NaCl析出。為了提高鉀芒硝的純度，需要探究水添加量和反應(yīng)時間對鉀芒硝的純度及產(chǎn)率的影響。由分析得出水添加量的增多，鉀芒硝的產(chǎn)率呈現(xiàn)越來越低的趨勢，因為鉀芒硝加水后不分解只溶解，隨著水添加量的繼續(xù)增加，部分鉀芒硝溶解，隨著反應(yīng)時間的增加，得到的鉀芒硝的純度以及產(chǎn)率都是先增加后保持穩(wěn)定。

4.5 制備創(chuàng)新

我國豐富的芒硝資源可以源源不斷地轉(zhuǎn)化為鉀肥，滿足我國國內(nèi)對鉀肥的需求而改變大部分依靠進口的現(xiàn)狀[5]。芒硝制鉀肥法生產(chǎn)條件溫和，避免了國際上的硫酸轉(zhuǎn)化法對生產(chǎn)設(shè)備的腐蝕性及對操作人員的潛在的危險性，解決了高溫條件下比較難于操作的問題，且該工藝對設(shè)備的材質(zhì)要求不高，全程無三廢產(chǎn)出，不僅滿足《硫酸鉀應(yīng)用規(guī)范》的技術(shù)要求，且生產(chǎn)條件溫和、轉(zhuǎn)化率高、整個工藝流程操作簡單、方便，有效應(yīng)用能夠推動我國生態(tài)發(fā)展。

5 結(jié)語

隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，生產(chǎn)效率正不斷提升。在生態(tài)的發(fā)展中引入芒硝轉(zhuǎn)化制備鉀肥，不僅可以提高農(nóng)作物生長效率，還能夠保證農(nóng)作物的生長質(zhì)量，以此加快生態(tài)建設(shè)步伐，提高肥料的質(zhì)量，為我國現(xiàn)代化創(chuàng)新發(fā)展做好鋪墊。