鉀堿循環(huán)利用技術(shù)研究

黃仕哲，陳仕英，何軍禮

（陜西大秦鉀業(yè)有限公司，陜西西安 710000)

鉀堿循環(huán)利用技術(shù)研究

黃仕哲，陳仕英，何軍禮

（陜西大秦鉀業(yè)有限公司，陜西西安 710000)

通過介紹鉀堿的國內(nèi)外產(chǎn)需現(xiàn)狀，對我國鉀堿工業(yè)如何利用先進的工藝技術(shù)并且循環(huán)利用以達到廢水廢氣資源化，同時經(jīng)濟效益和社會效益最大化提出了建議。

鉀堿；循環(huán)利用；經(jīng)濟效益；社會效益

1 鉀堿國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

鉀堿，即碳酸鉀，隨著工業(yè)的迅猛發(fā)展，它作為基本的無機化學原料需求也迅速增長，由于其應(yīng)用廣泛，因此世界上幾大生產(chǎn)國紛紛擴大生產(chǎn)規(guī)模，并對其進行循環(huán)利用技術(shù)研究，以求在能滿足國內(nèi)需求的基礎(chǔ)上擴大出口。

1.1 我國鉀堿現(xiàn)狀

鉀堿被廣泛應(yīng)用醫(yī)藥、食品、燃料、橡膠、玻璃行業(yè)，主要用于計算機和電視顯示器的顯像玻璃管中，近幾年，我國鉀堿工業(yè)發(fā)展日益迅速，生產(chǎn)幅度也逐年增加，生產(chǎn)能力大幅上升，各個化工廠都致力于對先進技術(shù)的研究。

1.2 國外鉀堿現(xiàn)狀

鉀堿主要的生產(chǎn)國有日本、美國、韓國等，歐洲主要集中在法國、德國、意大利等國家。對于日本來說，雖然總生產(chǎn)力不斷提高，仍然不能滿足國內(nèi)的需求，每年都需要從國外大量進口碳酸鉀。由于進入互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟時代，對于計算機的需求猛增，因此碳酸鉀的需求也隨之大量增加。對于美國來說，鉀堿的市場主要是用作計算機和電視的顯示器陰極射線管，占據(jù)50%，其余均勻分布在醫(yī)藥、化工、食品等領(lǐng)域。對于歐洲國家如意大利、西班牙、法國等，其生產(chǎn)能力不斷提高，基本能滿足該地區(qū)的需求增長。

2 生產(chǎn)工藝改進情況

鉀堿的生產(chǎn)工藝從20世紀50年代到90年代出現(xiàn)了不同的技術(shù)，如草木灰法、電解法、離子交換法、離子膜–流化床法、路步蘭法、有機胺法等，如今廣泛使用的則是離子交換法和離子膜–流化床法，這兩種方法由于產(chǎn)品質(zhì)量好，工藝相對簡單，成本較為低廉，更加適應(yīng)大規(guī)模的工業(yè)化生產(chǎn)。其余幾種方法由于使用的局限性，已經(jīng)逐漸被淘汰。

2.1 我國主要采用離子交換法

離子交換法是一種利用離子交換劑中的可交換基因與溶液中各種離子間的離子交換能力的不同來進行分離的一種方法。是70年代首創(chuàng)的鉀堿的生產(chǎn)工藝，這項工藝以氯化鉀溶液和碳銨液反應(yīng)交換，然后通過一系列程序如蒸發(fā)、碳化、離心分離、煅燒以及干燥等最終得到符合標準的成品。國內(nèi)大部分化工廠都采用這一工藝，并將它不斷改進，由于其產(chǎn)品質(zhì)量達標、流程相對簡單、成本較低、耗能少這些優(yōu)勢，這已經(jīng)成為最優(yōu)的鉀堿生產(chǎn)工藝。它可以充分利用生產(chǎn)過程中的二氧化碳和氨水，從而達到循環(huán)利用。

2.2 國外大量采用的離子膜–流化床法

發(fā)達國家普遍采用離子膜–流化床法來生產(chǎn)鉀堿，它一般通過氫氧化鉀溶液與二氧化碳結(jié)合生存碳酸鉀，再經(jīng)過2次降溫，將溫度降到低于70℃，符合標準的制成成品，不合格的部分會粉碎回流。它的優(yōu)勢在于自動化程度高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，工藝簡便，雜質(zhì)少，純度高而廣泛使用，我國只有一家工廠采用這種工藝，主要是從外國引進，需要大量資金。

2.3 近年改進有機胺法以達到循環(huán)利用

鑒于離子交換法和離子膜–流化床法的局限性和成本高等問題，我國的科研人員開始重新對有機胺法進行研究和突破。試圖以氯化鉀為原料，低沸點的有機胺沸被提到，如今改用低毒性高沸點的有機胺法作為新的萃取劑。同時，作為再生劑的石灰也被替代，采用氨作為再生程序。改進后，氯化鉀的利用率大幅提高，甚至能達95%以上。經(jīng)過大量的實驗，并經(jīng)過工業(yè)化試驗后，用氨替代石灰時10min就可以達到90以上的再生率。再經(jīng)過反復(fù)的碳化、再生循環(huán)利用后，在工業(yè)生產(chǎn)中完全可以達到循環(huán)利用。整個過程中沒有任何的工業(yè)廢液排出，從而達到清潔化生產(chǎn)，而且其生產(chǎn)的副產(chǎn)品工業(yè)氯化銨，也是這一流程的產(chǎn)物。綜上所述，改進版的有機胺法很有應(yīng)用前景。

2.4 對旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法生產(chǎn)技術(shù)進行試驗

由于離子交換法生產(chǎn)碳酸鉀存在局限性而且碳酸鉀市場短暫的停滯，我國某工廠曾停產(chǎn)來進行技術(shù)改造，對旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法進行小型的工廠模擬試驗，達到了比較滿意的效果。這種旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換系統(tǒng)是由美國的高級分離技術(shù)公司開發(fā)，并且經(jīng)過不斷的改進和完善，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各行各業(yè)，鉀堿行業(yè)則是第一次投入使用，效果理想。與之前的離子交換法相比，它采用短小樹脂床，因此可以最大限度的利用原材料，在整個工藝程序中，任何狀態(tài)下的樹脂都沒有閑置和廢棄。與此同時，小容積樹脂床與再生劑的接觸中，再生劑的用量減少，因此廢液比較少，易于回收再利用。而且還能減少投資，成本預(yù)算大幅減少，不僅實現(xiàn)了生產(chǎn)過程中的循環(huán)利用和連續(xù)化，而且還可以較為徹底地解決廢水廢液的排放問題，增加了社會效益。

近年來，我國鉀堿工業(yè)雖然取得了較快的發(fā)展，但是在總體上仍然落后于發(fā)達國家，在以下幾個方面存在較大的差距。首先，沒有形成完整的工業(yè)體系，在數(shù)量、質(zhì)量、規(guī)格上還有一定的欠缺，不能適應(yīng)行業(yè)的發(fā)展要求，尤其是高精尖行業(yè)的要求。國外的發(fā)達國家都采用離子膜生產(chǎn)工藝，而我國采用的離子交換法在質(zhì)量上競爭優(yōu)勢不強。其次，生產(chǎn)技術(shù)水平低，受企業(yè)實力、科技水平等方面的影響，我國的鉀堿生產(chǎn)水平普遍低于發(fā)達國家，自動化水平低。最后，環(huán)境污染成為制約鉀堿產(chǎn)品發(fā)展的重要因素，我國的碳酸鉀生產(chǎn)主要采用的離子交換法會排放出大量含有氯化銨的廢液，并且缺乏有效的回收裝置，隨著建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會倡導下，社會效益已經(jīng)重于經(jīng)濟效益，為我國帶來了全所未有的挑戰(zhàn)。

3 鉀堿工業(yè)展望及發(fā)展建議

3.1 大力實施離子膜–流化床法鉀堿

國外很多發(fā)達國家普遍采用的離子膜–流化床法生產(chǎn)的碳酸鉀產(chǎn)品質(zhì)量好，無廢液排放、資源利用率高，將來很有可能代替我國的離子交換法生產(chǎn)的鉀堿產(chǎn)品。鑒于產(chǎn)品質(zhì)量的高要求，我國未來將致力于研發(fā)離子膜電解的主要設(shè)備，以達到高的投資回報比，而且回收期和成本都大幅降低。而且我國在人力以及各種資源都有著無可比擬的優(yōu)勢，未來我國有望成為最大的鉀堿的生產(chǎn)國之一，在鉀堿原料以及各項產(chǎn)品的出口上都很有競爭力，但前提一定是嚴格高標準的質(zhì)量保證。并且我們應(yīng)該大力發(fā)揮各地的地方資源優(yōu)勢，并將其轉(zhuǎn)換為產(chǎn)品得到成本優(yōu)勢、市場優(yōu)勢等，進一步形成產(chǎn)品獨特的競爭力。

3.2 改進離子交換法工藝并發(fā)揮生產(chǎn)流程的優(yōu)勢

3.2.1 提高鉀離子利用率

根據(jù)化學平衡原理，在交換的過程中控制碳酸氫銨的流量、含量以及各種比例條件，可以提高鉀離子的利用率

3.2.2 交換過程反洗、正洗、洗氯離子用水

根據(jù)生產(chǎn)過程中的洗氯離子過程時間縮短的情況，確定正洗、反洗、洗氯離子用水的流量，使得漂洗過程中用水量減少，達到節(jié)約用水、保證產(chǎn)品質(zhì)量的目的

3.2.3 強化碳化效果

利用高純度的生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的二氧化碳，控制碳化液溫度，加大碳化壓力，這也能提高鉀堿產(chǎn)品的質(zhì)量，降低蒸汽損耗，提高生產(chǎn)效率。

最后鑒于離子交換法在我國長時間占據(jù)主導地位，有其存在的必然優(yōu)勢，我們應(yīng)該充分發(fā)揮其優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，降低成本，提高產(chǎn)品質(zhì)量，擴大產(chǎn)能，從而緩解結(jié)構(gòu)性短缺的矛盾，實現(xiàn)這些的必然路徑就是在工業(yè)程序上下手，形成一個完整的產(chǎn)業(yè)鏈，以期降低成本，從而增加本地鉀堿的競爭力。

3.3 繼續(xù)深入研究旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法和改進的有機胺法

旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法和改進后的有機胺法能夠徹底解決排放的氯化銨廢水的問題，但是由于設(shè)備和生產(chǎn)裝置等問題止步不前，存在成本過高以及不可知的危險性，但是基于整個行業(yè)的發(fā)展進步以及全球環(huán)保的角度來說，國家應(yīng)該投入各項科研基金，在國企中帶頭首先示范。

3.4 建立和完善創(chuàng)新機制，發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟

鉀堿具備一定規(guī)模才能創(chuàng)造更多的經(jīng)濟效益，應(yīng)該通過一系列手段發(fā)揮規(guī)模經(jīng)濟，比如資源節(jié)約化、產(chǎn)品流程化、結(jié)構(gòu)合理化等措施，并且加大人才引進，建立健全科技創(chuàng)新機制，引進和開發(fā)兩手抓，提高科技研發(fā)資金的投入，有關(guān)機構(gòu)加強產(chǎn)學研合作，重視新技術(shù)、新工藝、新設(shè)備的開發(fā)和引進，加速科技成果的轉(zhuǎn)化。

3.5 大力推廣清潔生產(chǎn)，提高社會效益

由于我國目前大量采用的是離子交換法生產(chǎn)鉀堿，這一工藝排放的廢水不達標，造成了嚴重的環(huán)境污染，我們必須進行行之有效的治理，從源頭入手，減少廢氣廢水廢料的排放，大力發(fā)展旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法，是我國鉀堿工業(yè)生產(chǎn)工藝的必由之路。

4 結(jié)束語

根據(jù)本文對于鉀堿循環(huán)利用技術(shù)的研究，我國鉀堿工業(yè)生產(chǎn)工藝將從源頭入手，減少廢水廢氣廢料的排放。之后應(yīng)該大力發(fā)展旋轉(zhuǎn)式連續(xù)離子交換法，以及深入研究改進的有機胺法，大力推行清潔生產(chǎn)，提高經(jīng)濟效益的同時提高社會效益。

[1] 王洪記.碳酸鉀生產(chǎn)供求現(xiàn)狀[J].中國化工信息，1996，（9）：5.

[2] 侯秋實，王洪記.離子交換法生產(chǎn)碳酸鉀工藝的技改革新[J].無機鹽工業(yè)，1997，（1）：34-36.

[3] 張俊先，任照元.離子交換法制備碳酸鉀工藝的改進[J].江蘇化工，1997，（2）：34-35.

Study on Potassium Alkali Recycling Technology

Huang Shi-zhe，Chen Shi-ying，He Jun-li

This paper introduces the current situation of potassium and alkali production and demand at home and abroad，and puts forward some suggestions on how to use advanced technology and recycling in China to realize the waste water and waste gas resources，and the economic and social benefits are maximized.

potassium alkali；recycling；economic benefit；social benefit

TQ131.13

A

1003–6490（2017）11–0077–02

2017–09–12

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2015KTTSGY02-06）

黃仕哲（1966—），男，陜西西安人，高級工程師，主要研究方向為礦物資源化利用。