利用钾石盐太阳池制备氯化钾实验研究*

赵启文，屠兰英，林泽中，肖　晖

（青海大学化工学院，青海西宁810016）

利用钾石盐太阳池制备氯化钾实验研究*

赵启文，屠兰英，林泽中，肖晖

（青海大学化工学院，青海西宁810016）

以钾石盐为原料，以降低回收低品位钾资源能耗为目的，采用三层水平灌注的方法进行了钾石盐太阳池的构建实验，模拟15℃环境温度进行了太阳池运行实验，以及利用太阳池下对流层溶液制备氯化钾实验。结果表明：钾石盐太阳池能有效聚集太阳能，运行稳定时下对流层最高温度达到43℃，将钾石盐太阳池底部温度和密度较高的溶液取出，冷却结晶制得工业级氯化钾。

钾石盐；太阳池；氯化钾

太阳池是一种具有一定浓度梯度的盐水池，兼有太阳能集热器和蓄热器的功能，能大面积聚集太阳辐射能、大容量储热，并可全天候乃至跨季节运行［1］。太阳池建造和运行主要因素所占比例［2-3］：太阳能资源占50%、盐资源占30%、环境温度和水利资源各占6%、年降水量与风力各占4%。柴达木盆地太阳能年辐射量为7 000 MJ/m2，盐资源、水资源丰富，具备建设太阳池的优良条件［4］。

中国可溶性钾资源十分紧缺，主要分布在青海柴达木盆地。近几年，随着氯化钾生产规模的不断扩大，导致高品位钾盐矿石（氯化钾质量分数＞15%）资源短缺，制约了产业的可持续发展。受资源类型限制，中国氯化钾生产主要以盐湖卤水为原料，采用浮选工艺，每生产1 t氯化钾就产生1～1.2 t氯化钾质量分数在2%～7%的浮选尾矿，被当作废盐处理掉。另外，柴达木盆地的盐田边角处和清池等过程中每年还会产生四五百万吨低钾劣质原矿［5-6］。目前国内外回收利用低品位钾资源主要采用热溶结晶法生产氯化钾。低品位钾矿经冷分解脱镁后得到钾石盐，钾石盐高温热溶分离氯化钠，冷却结晶制得氯化钾。但是，柴达木盆地的低品位钾资源应用该工艺遇到能耗高、热溶和分离设备结垢腐蚀严重、氯化钠沉降分离困难等问题，难以获得良好的经济效益［7-8］。为此，笔者利用钾石盐太阳池集聚太阳能，用于降低回收低品位钾资源能耗的实验研究。钾石盐中氯化钠的溶解度随温度变化不大，而氯化钾的溶解度随温度升高显著增大，将钾石盐太阳池底部温度较高、溶钾较多的溶液取出，经冷却结晶就能制得氯化钾。

1　实验部分

1.1原料、试剂及仪器

原料：钾石盐采自青海盐湖工业股份有限公司，经检测其组成及含量（质量分数）：KCl，31.56%；NaCl，53.52%；CaSO4，0.21%；MgCl2，2.94%；H2O，11.02%；水不溶物，0.75%。

试剂：0.02 mol/L EDTA溶液，0.05 mol/L硝酸银溶液，酚酞，钙羧酸指示剂，铬黑T，pH≈10的NH3-NH4Cl缓冲溶液，硝酸铜，硝酸铅，氧化锌，铬酸钾，氯化钡，氯化钾，氯化钠，氟化钠，溴化钾。

仪器：波美度计，NDJ-5S型旋转黏度计，DGG-9053AD型电热恒温鼓风干燥箱，PB-10型pH计，FP6410型火焰光度计，HI88713-ISO型浊度仪，XSJ-HS/XTJ30型显微图像电脑分析系统，卤水资源开发研究环境模拟实验平台。

1.2检测方法

采用EDTA法测定Ca2+、Mg2+；采用重量法测定SO42-；采用银量法测定Cl-；采用重量法测定水不溶物；采用火焰光度计测定K+、Na+［9］。

1.3钾石盐太阳池构建及运行

选取一个长方体蒸发池作为钾石盐太阳池，池四周及底部内外加保温层后的有效尺寸为90 cm× 54 cm×51 cm。太阳池底部铺1 cm厚的钾石盐，太阳池内溶液总厚度为49 cm，其中上对流层（UCZ）为5 cm、盐梯度层（NCZ）为29 cm、下对流层（LCZ）为15 cm。分三层灌注钾石盐太阳池，各层灌注的钾石盐溶液密度：下对流层1.251 5 g/cm3、盐梯度层1.199 5 g/cm3、上对流层直接用淡水灌注。整个太阳池灌注好后，模拟环境温度为15℃、相对湿度为21%的自然条件运行太阳池。

1.4利用太阳池底层溶液制备氯化钾

太阳池运行稳定后，抽取1 000 g下对流层密度和温度较高的溶液，冷却到15℃，过滤制得氯化钾，母液回太阳池循环利用。

2　结果与讨论

2.1钾石盐太阳池构建实验结果

按上述方法灌注好钾石盐太阳池后测得各层溶液密度分布见图1。由图1可以明显看出太阳池具有盐梯度结构，水平方向密度分布均匀，垂直方向形成了显著的密度梯度。说明分三层水平灌注钾石盐太阳池的构建方式可行，各层溶液密度和厚度设计较合理。

图1　太阳池内钾石盐溶液密度随深度的分布

2.2太阳池运行实验结果

在模拟环境温度为15℃、相对湿度为21%的自然条件运行太阳池，白天光照、晚上关闭，每天检测各层温度随时间的变化，结果见图2。由图2可以看出，太阳池运行前2 d温度升高不明显，主要是由于池内溶液浊度较高所致。进入太阳池的太阳辐射量由于盐水的吸收及散射以及悬浮颗粒的吸收、散射和反射而逐渐减弱，仅有一部分到达池底，盐水的浊度是影响太阳辐射透射率的重要因素。盐水中不溶物越多，浓度越高，浊度也越高，而且还与不溶物颗粒大小、形状和折射指数等性质有关。一般要求上对流层、中间盐梯度层浊度小于5 NTU，下对流层浊度小于 10 NTU［10］。经检测构建太阳池下对流层溶液浊度为37.5 NTU、盐梯度层溶液浊度为68.1 NTU。经过2 d自然沉降浊度不断降低，3 d达到要求。温度开始随运行天数显著上升，运行6 d后趋于平衡，下对流层最高温度达到43℃。

图2　太阳池各层温度随时间的变化

2.3制备氯化钾实验结果

太阳池运行稳定后，抽取1 000 g下对流层溶液，冷却至15℃，有部分盐结晶析出，经过滤得到固相38.6 g、滤液961.4 g。因滤液中溶解有饱和氯化钾、氯化钠，故返回太阳池下对流层，再次吸收太阳能升温、溶解钾石盐循环利用。冷却结晶过程各阶段物料组成见表1。由表1可以看出，结晶析出固相氯化钾质量分数为79.63%，经洗涤降低氯化钠、氯化镁含量，再经干燥降低水分含量，制得氯化钾质量分数为97.64%的产品，换算成氧化钾质量分数为61.73%，达到GB 6549—2011《氯化钾》Ⅰ类工业用氯化钾一等品氧化钾质量分数≥60%的指标。

表1　氯化钾制备过程各阶段物料组成

3　结论

1）利用钾石盐溶液灌注太阳池，能构建起水平方向密度和温度分布均匀、垂直方向形成梯度、可稳定运行的太阳池，模拟15℃环境温度运行时，太阳池的最高温度达到43℃。2）用太阳池底层温度和密度较高的溶液，经冷却结晶、过滤洗涤制得工业级氯化钾产品。该技术能将柴达木盆地丰富的盐资源和太阳能资源巧妙结合，可有效降低回收低品位钾资源过程的能耗。

［1］白生菊.青海地区太阳池发电技术开发应用［J］.青海大学学报：自然科学版，2000，18（1）：42-45.

［2］葛洪川，王士平，李申生.我国大陆地区建造太阳池的区划模型［J］.太阳能学报，1995，16（1）：102-109.

［3］罗莎莎，郑锦平.太阳池的研究与应用［J］.能源研究与信息，2004，20（1）：29-37.

［4］陈慧玲.柴达木盆地地区太阳池技术应用研究［J］.青海师范大学学报：自然科学版，2005，16（3）：90-91.

［5］冯跃华，孙成高.从光卤石反浮选尾矿回收氯化钾新工艺研究［J］.化工矿物与加工，2013，42（6）：1-3.

［6］边红利，呼桂桂.马海盐湖浮选法生产氯化钾排放尾盐中钾资源的强制浸取技术研究［J］.盐湖研究，2014，22（1）：32-36.

［7］张守斌，杜仲谋，赵吉祥.利用热溶结晶技术生产钾肥的新工艺［J］.盐业与化工，2009，38（6）：51-53.

［8］于雪峰.影响热溶-冷结晶法制备氯化钾收率的因素与控制［J］.化肥工业，2015，42（2）：70-71，74.

［9］中国科学院青海盐湖研究所分析室.卤水和盐的分析方法［M］.北京：科学出版社，1988：42-47.

［10］王禄，孙文策，马伟，等.太阳池灌注卤水净化实验与中试研究［J］.海洋通报，2005，24（5）：79-84.

联系方式：zhqwqd@126.com

Experimental study on preparation of potassium chloride by sylvite solar pond

Zhao Qiwen，Tu Lanying，Lin Zezhong，Xiao Hui
（School of Chemical Engineering，Qinghai University，Xining 810016，China）

In order to reduce energy consumption，sylvite was used as raw material during the process of recovery of low grade potassium resources.Three layers level perfusion was adopted for sylvite solar pond construction test.In this paper，solar pond running test was carried out under the simulating environment temperature of 15℃and lower troposphere solution of solar pond was utilized to prepare potassium chloride.Results showed that the sylvite solar pond can effectively aggregate solar energy，and the highest temperature can reach 43℃in the lower troposphere during the stable operation.The solution with higher temperature and density from the bottom of sylvite solar pond can be prepared for industrial grade potassium chloride products through the cooling crystallization.

sylvite；solar pond；potassium chloride

TQ131.13

A

1006-4990（2016）06-0029-03

青海省应用基础研究计划项目（2015-ZJ-739）；青海大学化工学院科研种子基金项目。

2016-01-16

赵启文（1968—），男，教授，主要从事化工分离方面的研究。