制備大顆粒氯化鉀的工藝條件優(yōu)化試驗(yàn)研究

林澤中，杜柄璇

(青海民族大學(xué) 化學(xué)化工學(xué)院，青海 西寧 810007)

氯化鉀是高濃度的速效鉀肥，其物理性質(zhì)好，吸濕性小，屬于生理酸性肥料，有助于農(nóng)作物的生長。提高植物的抗病抗災(zāi)能力，提升植物鉀元素的營養(yǎng)狀況，是目前世界上使用量最大的一種鉀肥。但在鉀肥使用中，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，因此不能保證鉀肥全部進(jìn)入植物根系周圍土壤，從而造成浪費(fèi)。結(jié)晶過程是利用溶液過飽和度為推動(dòng)力，以制取高質(zhì)量和適宜粒度的產(chǎn)品為目的，且具有粒徑分布均勻、反應(yīng)條件平穩(wěn)、能耗低等優(yōu)點(diǎn)，因此利用結(jié)晶制取大顆粒氯化鉀對(duì)提高鉀肥利用率有非常重要的價(jià)值和意義。此前，針對(duì)大顆粒氯化鉀的制備進(jìn)行了試驗(yàn)研究，但過程存在研究不全面、參數(shù)梯度范圍太寬等弊端[1-7]。因此，筆者在上述研究的基礎(chǔ)上，從不同溫度下飽和氯化鉀的自然冷卻結(jié)晶、冷-熱耦合結(jié)晶及其最佳配比、不同轉(zhuǎn)速攪拌下的氯化鉀結(jié)晶以及不同表面活性劑對(duì)氯化鉀結(jié)晶的影響方面進(jìn)行了工藝參數(shù)篩選和優(yōu)化。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

1.1 試驗(yàn)藥品與儀器

主要試驗(yàn)藥品見表1。

表1 主要試驗(yàn)藥品

試驗(yàn)儀器：TAS-990AFG Super原子(石墨爐)吸收光譜，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，380、830、2 360 μm(40、20、8目)分子篩。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1自然冷卻結(jié)晶

配制一定溫度下100 mL的氯化鉀飽和溶液，在一定時(shí)間里自然冷卻結(jié)晶，固液分離，烘干，并分別用380 μm(40目)、830 μm(20目)、2 360 μm(8目)標(biāo)準(zhǔn)分樣篩進(jìn)行篩分。自然冷卻結(jié)晶試驗(yàn)溫度分別設(shè)定45、50、55、60、65、70、75、80 ℃，燒杯容量250 mL，結(jié)晶時(shí)間2 h。

1.2.2冷-熱耦合結(jié)晶

配制不同溫度的氯化鉀飽和溶液，與35 ℃的氯化鉀飽和溶液(體積比為1∶1)在250 mL的燒杯中進(jìn)行混合、冷卻，2 h后固液分離、烘干，并分別用380 μm(40目)、830 μm(20目)、2 360 μm(8目)標(biāo)準(zhǔn)分樣篩進(jìn)行篩分。該試驗(yàn)溫度分別設(shè)定45、50、55、60、65、70、75、80 ℃。

1.2.3冷-熱耦合結(jié)晶最佳配比

配制2個(gè)不同溫度下的氯化鉀飽和溶液，并按照一定體積比進(jìn)行混合、冷卻，2 h后固液分離，烘干，并分別用380 μm(40目)、830 μm(20目)、2 360 μm(8目)標(biāo)準(zhǔn)分樣篩進(jìn)行篩分。該試驗(yàn)選取65 ℃和35 ℃時(shí)的氯化鉀飽和溶液，選取體積比為：1∶0.5、1∶0.3、1∶1、1∶2、1∶3和1∶4。

1.2.4不同轉(zhuǎn)速攪拌下的氯化鉀結(jié)晶

配制一定轉(zhuǎn)速下的35 ℃與65 ℃(3∶1)混合的氯化鉀飽和溶液，冷卻，2 h后固液分離，烘干，并分別用380 μm(40目)、830 μm(20目)、2 360 μm(8目)標(biāo)準(zhǔn)分樣篩進(jìn)行篩分。該試驗(yàn)選取轉(zhuǎn)速為5、10、20 r/min。

1.2.5不同表面活性劑對(duì)氯化鉀結(jié)晶的影響

配制35 ℃與65 ℃(3∶1)的混合氯化鉀溶液，在混合液中分別加入Na2S2O3、乳糖、十二烷基磺酸鈉、氯化鋇，冷卻，2 h后固液分離，烘干。

2 結(jié)果與分析

2.1 自然冷卻結(jié)晶

各溫度自然冷卻結(jié)晶，晶體粒徑分布見表2。

表2 不同溫度KCl自然冷卻結(jié)晶粒徑分布

根據(jù)表2的試驗(yàn)結(jié)果，氯化鉀晶體粒徑隨溫度升高而增大，但在65 ℃以上，氯化鉀的粒徑增幅降低。具體表現(xiàn)為：若過飽和度處于穩(wěn)定區(qū)，不會(huì)產(chǎn)生晶核，會(huì)繼續(xù)溶解晶體；若過飽和度處于介穩(wěn)區(qū)，只有在外界的干擾下通過成核，易生長形成平均粒度較大的晶體；若過飽和度處于不穩(wěn)定區(qū)，則自發(fā)產(chǎn)生并快速析出較小晶核且難以控制。綜合考慮，選取65 ℃下的氯化鉀飽和溶液進(jìn)行自然降溫，可以得到2 360 μm以上的KCl晶粒。

2.2 冷-熱耦合結(jié)晶

各溫度溶液混合，晶體粒徑分布見表3。

表3 35 ℃與不同溫度溶液以體積比1∶1混合自然降溫結(jié)晶粒徑分布

根據(jù)表3的試驗(yàn)結(jié)果，并對(duì)照大顆粒氯化鉀制備試驗(yàn)研究中表3的結(jié)果可知，35 ℃和65 ℃(1∶1)混合溶液與35 ℃和60 ℃(1∶1)混合溶液進(jìn)行自然冷卻結(jié)晶得到的粒徑較大，前者2 360 μm以上的晶粒為60.82%，而后者則為59.98%[1]。因此，選取35 ℃與65 ℃(1∶1)混合溶液進(jìn)行自然冷卻結(jié)晶，有利于大顆粒氯化鉀的制備。

2.3 冷-熱耦合結(jié)晶最佳配比

不同體積比溶液混合，晶體粒徑分布見表4。35 ℃與65 ℃的KCl溶液以1∶1和1∶3的體積進(jìn)行混合的對(duì)比圖見圖1。

表4 65 ℃與35 ℃ KCl溶液以不同體積比得到晶體粒徑分布

圖1 35 ℃與65 ℃的KCl溶液以1∶1和1∶3的體積進(jìn)行混合時(shí)的結(jié)晶圖

根據(jù)表4的試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)照?qǐng)D1，晶體粒徑有明顯變化，35 ℃與65 ℃的KCl溶液以3∶1的體積進(jìn)行混合時(shí)，得到的晶體晶形較大。具體表現(xiàn)為：35 ℃與65 ℃的KCl溶液以3∶1的體積進(jìn)行混合時(shí)，過飽和度處于最佳范圍，晶體易形成且形狀易控制，得到的晶體也較為穩(wěn)定。因此，選取35 ℃與65 ℃的KCl溶液以3∶1的體積進(jìn)行混合時(shí)，有利于大顆粒氯化鉀的制備。其中，2 360 μm以上晶粒的百分比為75.69%。

2.4 不同攪拌速率下的氯化鉀結(jié)晶

35 ℃與65 ℃的混合KCl溶液以3∶1的體積比進(jìn)行混合，不同轉(zhuǎn)速攪拌下冷卻結(jié)晶晶體粒徑分布見表5。35℃與65℃的KCl溶液以3∶1體積比混合在轉(zhuǎn)速為50 r/min和70 r/min的自然冷卻結(jié)晶下的對(duì)比圖見圖2。

根據(jù)表5的試驗(yàn)結(jié)果以及圖2對(duì)比，混合KCl溶液配制不同轉(zhuǎn)速時(shí)，KCl晶體的粒徑隨著轉(zhuǎn)速的增大而減小。具體表現(xiàn)為：攪拌會(huì)影響結(jié)晶器內(nèi)的流場，攪拌的轉(zhuǎn)速會(huì)影響二次成核，適當(dāng)?shù)臄嚢栌欣诰w粒徑的生長，但轉(zhuǎn)速過快不利于大顆粒的形成。因此，選取轉(zhuǎn)速為50 r/min，有利于大顆粒氯化鉀的制備。

表5 不同轉(zhuǎn)速下KCl晶體粒徑分布

圖2 35 ℃與60 ℃的KCl溶液以3∶1體積比混合在轉(zhuǎn)速為50 r/min和70 r/min時(shí)的自然冷卻結(jié)晶圖

2.5 不同量的表面活性劑對(duì)氯化鉀結(jié)晶的影響

35 ℃與60 ℃的KCl溶液以3∶1體積比混合時(shí)，加入不同質(zhì)量Na2S2O3的KCl晶體分布見表6。在混合KCl溶液中加入6 g和8 g Na2S2O3自然冷卻結(jié)晶下的對(duì)比圖見圖3。

表6 混合KCl溶液中加入Na2S2O3的KCl晶體粒徑分布

圖3 混合KCl溶液中加入6 g和8 g Na2S2O3自然冷卻結(jié)晶圖

在35 ℃與65 ℃KCl溶液以體積比3∶1的混合，分別加入Na2S2O3試劑2、4、6、8 g；乳糖 0.5、1.0、2.0 g；氯化鋇2、3、4 g；十二烷基磺酸鈉0.5、1.0、1.5 g。實(shí)驗(yàn)表明：當(dāng)加入乳糖無明顯變化，且含有大量雜晶；加入十二烷基磺酸鈉不利于大顆粒氯化鉀結(jié)晶；加入3 g BaCl2變化不明顯。根據(jù)表6的試驗(yàn)結(jié)果以及對(duì)比圖3，當(dāng)加入Na2S2O36 g和8 g時(shí)可得到大顆粒氯化鉀，但加入8 g Na2S2O3的KCl結(jié)晶中含有較多雜晶。因此，綜合考慮，在35 ℃與65 ℃的混合KCl溶液(體積比3∶1)中選擇加入6 g Na2S2O3有利于大顆粒氯化鉀的制備。

3 結(jié)論

以大顆粒氯化鉀制備試驗(yàn)研究為基礎(chǔ)和對(duì)照，筆者針對(duì)大顆粒氯化鉀的制備進(jìn)行一系列優(yōu)化試驗(yàn)。結(jié)果表明：①35 ℃與65 ℃的混合KCl溶液(體積比3∶1)比35 ℃與60 ℃的混合KCl溶液(體積比3∶1)在自然冷卻結(jié)晶下更有利于大顆粒氯化鉀的制備。②適當(dāng)?shù)臄嚢栌欣诰w粒徑的生長，但轉(zhuǎn)速過快不利于大顆粒的形成。因此，選取轉(zhuǎn)速為50 r/min，有利于大顆粒氯化鉀的制備。③Na2S2O3、BaCl2有利于得到大顆粒氯化鉀，乳糖對(duì)KCl顆粒的生長不明顯，十二烷基磺酸鈉不利于大顆粒氯化鉀的形成。綜上所述，在35 ℃與65 ℃的混合KCl溶液中(體積比3∶1)加入6 g Na2S2O3，并在轉(zhuǎn)速為50 r/min的自然冷卻結(jié)晶下，有利于大顆粒氯化鉀的制備。