低钠光卤石为原料制备氯化钾及含水率的影响研究

马生奎，王 刚，董伟兵，切知加，杜景灵

(1.青海民族大学 化学化工学院，青海 西宁 810007;2.国家民委青藏高原资源化学与生态环境保护重点实验室，青海 西宁 810007;3．青海民族大学 物理与电子信息工程学院，青海 西宁 810007)

氯化钾中的钾离子是影响植物生长的重要元素，在农业生产中，氯化钾是重要的肥料，国内外生产氯化钾的主要原料是钾石盐矿、光卤石及盐湖卤水等[1]。在应用中可以促进植物进行光合作用,提升植物抵抗力。目前国内化工厂生产钾肥主要采用以低钠光卤石为原料的反浮选—冷分解法生产氯化钾，但是氯化钾容易受到水分影响，由于光卤石在结晶器中分解速率太快，使得溶液体系中的过饱和度难以控制，导致结晶器中氯化钾爆发成核，产品具有粒度小、含湿量大、干燥能耗成本高、易板结等问题[2-5]，给钾肥的高效使用带来巨大困扰。由于低钠光卤石原料生产氯化钾其中含有Ca2+、Mg2+等, 容易形成含有结晶水的化合物,且氯化镁具有较高的吸湿性，易潮解，为氯化钾晶体的结块提供了条件，且干产品会产生吸潮现象[6-8]。而不同形貌的氯化钾晶体和大颗粒氯化钾晶体能够降低晶体颗粒间的接触面，降低板结率，降低含水量[9]，部分晶体还具有优良特性，如高强度、优良的导电特性、溶解速率较慢等优点。

靳沙沙等人[10]研究了通过蒸发结晶、快速冷却结晶以及添加剂的使用分别制备出球形、针状和八面体形貌的氯化钾颗粒。

刘艳霞等人[11]研究了以氯化镁和氨水为原料，通过水浴加热的方法制备氧化镁前驱体氢氧化镁，并对其含水量进行研究，得到当镁离子浓度为0.3 mol/L时有最大含水率，且最大含水率为1.044 9%。

钱礼华等人[12]在MSMPR结晶系统中对纯氯化钾及加入2 %的氯化镁后的溶液与加入光卤石母液后的溶液进行了氯化钾结晶动力学研究。研究得出钠离子、镁离子的存在对氯化钾的成核起促进作用，使氯化钾结晶的成核速率增大，生长速率减小，对光卤石冷分解制备氯化钾结晶过程产生不利影响。

文章研究了氯化钾不同形貌、不同粒度范围、杂质离子三个因素对氯化钾结晶含湿量的影响，为钾肥厂氯化钾的生产和工艺开发提供了理论指导。

1 仪器与试剂

仪器。H2X0水分仪(梅特勒-托利多公司);匀速程控恒温槽，南京先欧仪器制造有限公司；电子天平，上海跃平科学仪器(苏州制造)；光学显微镜；恒温干燥箱；IKA机械搅拌机；100 mL烧杯；玻璃棒，夹套式结晶器。

试剂。低钠光卤石(具体成分见表1)青海省盐湖集团股份有限公司；氯化钾(分析纯)；氯化钙(分析纯)；氯化镁(分析纯)；氯化铝(分析纯)；氯化铅(分析纯)；超纯水(电子级)，实验室超纯水机自制。

表1 低钠光卤石组成Tab.1 Composition of low sodium carnallite %

2 实验方法

2.1 制备不同形貌的氯化钾晶体并表征

(1)配置60 ℃下低钠光卤石饱和溶液，加入Al3+(AlCl30.5 g)匀速降温至室温析出大量晶体进行抽滤5 min,取约5.00 g晶体测量含水率，光学显微镜进行表征晶体呈现球形结构。

(2)配置60 ℃下低钠光卤石饱和溶液，加入Pb2+(PbCl20.5 g)匀速降温至室温析出大量晶体进行抽滤5 min,取约5.00 g晶体测量含水率，光学显微镜进行表征晶体呈现八面体结构。

(3)配置60 ℃下低钠光卤石饱和溶液，快速降温至室温析出大量晶体进行抽滤5 min,取约5.00 g晶体测量含水率，光学显微镜进行表征晶体呈现针状结构。

(4)在夹套式结晶器中预先加入低钠光卤石分解母液，超纯水100 mL选用蠕动泵,以2 mL/min加入结晶器中，低钠光卤石100 g缓慢匀速加入至结晶器中，恒定搅拌转速500 r/min,待结晶过程结束，得到晶体进行抽滤5 min,取约5.00 g晶体测量含水率，光学显微镜进行表征晶体呈现立方体结构。表征氯化钾形貌如图1。

3 结果与讨论

3.1 氯化钾形貌对其含湿率的影响

在一定温度下溶解光卤石，配置光卤石饱和溶液，在恒温条件下加入不同赋形离子，制得不同形貌氯化钾晶体,抽滤5 min，在水分仪中测得含湿率数据如表2。

图1 不同形貌的氯化钾Fig.1 Potassium chloride with different morphologies

表2 不同形貌的氯化钾其含水率数据Tab.2 Moisture content data of potassium chloride with different morphologies

根据含湿率数据作图，得到一条曲线，如图 2。

图2 形貌对氯化钾含湿率的影响示意图Fig.2 Schematic diagram of the effect of morphology on the moisture content of potassium chloride

通过测得形貌对氯化钾含湿率表征数据作图，从图2可以看出，3次平行实验的重复性较好，形貌对氯化钾含水量较大，通过图2可知，最低点是八面体氯化钾即最低含湿率0.077%，最高点是针状氯化钾即最高含湿率1.110%。

3.2 粒度对氯化钾含湿率的影响

不同形貌的氯化钾通过筛分法，筛出不同粒度范围的氯化钾晶体，进行抽滤5 min, 在水分仪中测得含湿率数据见表3。

表3 不同粒度范围的氯化钾其含水率数据Tab.3 Moisture content data of potassium chloride with different particle sizes

根据含湿率数据作图，得到一条曲线，如图3。

图3 粒度对氯化钾含湿率的影响示意图Fig.3 Schematic diagram of the effect of particle size on the moisture content of potassium chloride

通过测得粒度对氯化钾含湿率表征数据作图，图3可以看出球形氯化钾、立方体氯化钾、八面体氯化钾、在不同粒度范围下含湿率不同，粒度越小含水率越大，粒度越大含湿率反之越小，综合分析看来八面体氯化钾在相图粒度范围下相比球形和立方体，含湿率相对较低。

3.3 杂质离子对氯化钾含湿率的影响

光卤石制备氯化钾过程中通过，加入不同浓度的杂质离子，来考察杂质离子对氯化钾含水率的影响，在水分仪中测得含湿率数据见表4。

表4 杂质离子对氯化钾其含水率数据Tab.4 Data of moisture content of impurity ions to potassium chloride

根据含湿率数据作图，得到一条曲线，如图4。

图4 杂质离子对氯化钾含湿率的影响示意图Fig.4 Schematic diagram of the effect of impurity ions on the moisture content of potassium chloride

通过测得杂质离子对氯化钾含湿率表征数据作图，从图4可以看出加入不同浓度的Na+、Ca2+、Al3+，对氯化钾含湿率影响不大，相对持平。而Mg2+对氯化钾含湿率影响较大，在Mg2+浓度为2.0 g/mol时氯化钾含湿率高达0.666 %，所以在制备氯化钾过程中应该控制Mg2+含量，从而减少氯化钾易板结的问题。

4 结论

影响氯化钾含湿率的因素有很多，如形貌、粒度、体系中的其它离子等，任何一个因素的改变对晶体含湿量的影响都非常大，因此想要获得含湿量降低的产品，就必须严格控制这些因素。文章在实验室条件下，系统研究了形貌、粒度、杂质离子对氯化钾结晶含水率的影响，并利用光学显微镜、激光粒度分析仪等方法对产品形貌及粒度表征，利用快速水分仪表征氯化钾产品的含湿量。研究结果表明：不同形貌的氯化钾产品的含湿率与晶体比表面积有关，形貌和含湿率的关系大小，八面体<球形<立方体<针状。不同粒度大小的氯化钾产品中粒度越小含湿率就越大，粒度越大含湿率反而越小。低钠光卤石制备氯化钾结晶过程中光卤石体系溶液中的其它离子对晶体含湿率都有影响，其中Mg2+影响最大。