制備大顆粒氯化鉀的幾種結(jié)晶方法研究

杜柄璇，林澤中*，李海朝，董偉兵，陳許龍，王測(cè)芳

(1.青海民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810007；2.青藏高原資源化學(xué)與生態(tài)環(huán)境保護(hù)國(guó)家民委重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，青海 西寧 810007)

氯化鉀是高濃度的速效鉀肥，有助于農(nóng)作物的生長(zhǎng)，提高植物的抗病抗災(zāi)能力，提升植物鉀元素的營(yíng)養(yǎng)狀況。在我國(guó)南方沿海地區(qū)，尤其是廣東地區(qū)，在鉀肥的使用上較為突出，但由于氣候濕潤(rùn)，肥料易板結(jié)，且還存在顆粒粒徑小、質(zhì)量輕、易被風(fēng)吹散、不易運(yùn)輸和儲(chǔ)存等弊端，使鉀肥得不到最大化的利用。結(jié)晶過(guò)程以制取高質(zhì)量和適宜粒度的產(chǎn)品為目的，且具有高純度、高效率、低能耗等優(yōu)點(diǎn)，因此利用結(jié)晶制取大顆粒氯化鉀是提高鉀肥利用率的一種有效途徑。從平面蒸發(fā)結(jié)晶、自然冷卻結(jié)晶以及程序降溫結(jié)晶這三種方式對(duì)制取大顆粒氯化鉀進(jìn)行了研究[1]。

1 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.1 實(shí)驗(yàn)藥品與儀器

氯化鉀，分析純，天津市大茂化學(xué)試劑廠；DF-101S集熱式恒溫加熱磁力攪拌器，DZF-6090F真空干燥箱，水銀溫度計(jì)，PL203 METTER TO-LEDO電子天平，夾套式結(jié)晶器，程序控溫恒溫槽。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1平面蒸發(fā)結(jié)晶

配置一定溫度下100 mL的氯化鉀飽和溶液，在一定的時(shí)間(4 h)里恒溫蒸發(fā)結(jié)晶，固液分離，烘干，得到產(chǎn)品。

平面蒸發(fā)結(jié)晶實(shí)驗(yàn)采用如下方案：溫度分別設(shè)定50、55、60、65、70、75 ℃，燒杯容量250 mL，蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)間4 h。

1.2.2自然冷卻結(jié)晶

配置一定溫度下100 mL的氯化鉀飽和溶液，在一定的時(shí)間(2 h)里自然冷卻結(jié)晶，固液分離，烘干，得到產(chǎn)品。自然冷卻結(jié)晶實(shí)驗(yàn)分別設(shè)定40、50、60、70、80 ℃，燒杯容量250 mL，結(jié)晶時(shí)間2 h。

1.2.3程序降溫結(jié)晶

不同降溫速率、攪拌速率以及晶漿濃度下的氯化鉀晶體粒徑不同。結(jié)晶方案如表1所示。

表1 程序降溫結(jié)晶實(shí)驗(yàn)方案

2 結(jié)果與分析

2.1 平面蒸發(fā)結(jié)晶

蒸發(fā)溫度對(duì)氯化鉀晶體粒度影響見圖1。冷卻結(jié)晶溫度對(duì)氯化鉀晶體粒徑的影響見圖2。

圖1 蒸發(fā)溫度對(duì)氯化鉀晶體粒度的影響

圖2 冷卻結(jié)晶溫度對(duì)氯化鉀晶體粒徑的影響

由圖1可看出，中溫(60～65℃)條件下有利于大顆粒氯化鉀的形成。這是由于在高溫時(shí)，水的蒸發(fā)速度較快，溶液過(guò)飽和度過(guò)高并且在介穩(wěn)區(qū)之外時(shí)，不利于氯化鉀分子的結(jié)晶；在低溫時(shí)，水的蒸發(fā)速度較慢，溶液的狀態(tài)為較低的過(guò)飽和度,并且處于介穩(wěn)區(qū),晶核形成較多，晶核生長(zhǎng)速度較慢；而在中溫時(shí)水的蒸發(fā)速度比較適宜，形成比較理想的過(guò)飽和度，有利于氯化鉀分子圍繞晶核的生長(zhǎng)。

由圖2可知，氯化鉀晶體粒徑隨溫度升高而增大，但在60 ℃以上，氯化鉀的粒徑增幅降低，綜合考慮，選取60 ℃自然冷卻結(jié)晶易得到大顆粒氯化鉀。若過(guò)飽和度處于穩(wěn)定區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生晶核；若過(guò)飽和度處于介穩(wěn)區(qū)，只有在外界的干擾下通過(guò)成核，易生長(zhǎng)形成平均粒度較大的晶體；若過(guò)飽和度處于不穩(wěn)定區(qū)，則自發(fā)產(chǎn)生較小晶核且難以控制。

2.2 程序降溫結(jié)晶

2.2.1攪拌速率對(duì)晶體粒徑的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)1#、2#、3#結(jié)果，晶體粒徑有明顯變化。具體表現(xiàn)為：在200 r/min時(shí)晶體為爆發(fā)式成核，不利于晶體生長(zhǎng)；攪拌速率過(guò)強(qiáng)時(shí)(400 r/min)，一方面顆粒與顆粒間以及顆粒與攪拌槳間碰撞機(jī)會(huì)增多，晶體容易發(fā)生破碎, 進(jìn)而導(dǎo)致晶體粒度減小，另一方面還會(huì)導(dǎo)致溶液混合不均, 出現(xiàn)局部過(guò)飽和度過(guò)大的問(wèn)題，從而導(dǎo)致晶體粒度減??；在300 r/min時(shí)小顆粒數(shù)量較少，大顆粒體積分?jǐn)?shù)相近，顆粒尺寸及形貌差距不大。因此，選取攪拌速率300 r/min，此時(shí)易獲得大顆粒氯化鉀晶體。

2.2.2降溫速率對(duì)晶體粒徑的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)2#、6#、7#結(jié)果，降溫速度為5 ℃/min時(shí)晶體粒徑最大，10 ℃/min次之，15 ℃/min時(shí)晶體粒徑最小。同溶液中，結(jié)晶溫度較低時(shí)，過(guò)飽和度越大，更容易出現(xiàn)爆發(fā)式成核，不利于大顆粒結(jié)晶的生長(zhǎng)。在較低降溫速率時(shí)，容易產(chǎn)生粒徑大、晶型好、均勻度高的結(jié)晶。因此，降溫速率選取5 ℃/min，此條件下獲得大顆粒氯化鉀晶體。

2.2.3晶槳濃度對(duì)晶體粒徑的影響

根據(jù)實(shí)驗(yàn)2#、4#、5#結(jié)果，加入晶種后的晶體粒度明顯高于未加晶種的，且隨著加入晶種量的不斷增多，得到氯化鉀晶體的粒徑也逐漸增加。這表明加入晶種有利于促進(jìn)晶體長(zhǎng)大，其主要原理是利用晶種的二次成核過(guò)程，減少一次爆發(fā)成核現(xiàn)象，誘導(dǎo)成核提早發(fā)生。

3 結(jié)論

①在平面蒸發(fā)結(jié)晶時(shí)，中溫(60～65 ℃)時(shí)形成

比較理想的過(guò)飽和度，有利于氯化鉀晶核的生長(zhǎng)，有利于大顆粒氯化鉀的形成。②在冷卻結(jié)晶時(shí)，氯化鉀晶體粒徑隨溫度升高而增大。在60 ℃時(shí)自然冷卻結(jié)晶易得到大顆粒氯化鉀。③在程序降溫結(jié)晶中，攪拌速率過(guò)高會(huì)導(dǎo)致晶體粒徑減小，較低的降溫速率、晶種量的增多均有利于大顆粒氯化鉀晶體的形成。