趙玲玲，王光龍

（鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001）

鉀長石-磷礦-硝酸脲體系分解鉀長石的探討

趙玲玲，王光龍

（鄭州大學化工與能源學院，河南鄭州 450001）

摘要：詳細研究了鉀長石與磷礦、硝酸脲反應的提鉀新工藝，驗證了鉀長石-磷礦-硝酸脲體系分解鉀長石提取有效鉀的可行性。通過正交實驗得到各因素對鉀溶出率影響大小依次為：反應溫度>硝酸用量>反應時間>尿素與硝酸物質的量比。得到適宜的工藝條件：尿素和硝酸物質的量比為1:1；5.5 mol/L的硝酸用量為4 mL；反應溫度為120℃；反應時間為2 h。在此條件下有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。通過單因素尋優(yōu)實驗得出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應提取有效鉀的適宜工藝條件：反應溫度為105～115℃，硝酸用量約為4.7 mL，反應時間約為2 h。

關鍵詞：鉀長石；硝酸脲；鉀溶出率

鉀是農作物生長過程中必不可少的營養(yǎng)元素之一［1］，鉀鹽是自然界中含鉀類礦物的總稱，可分為可溶性與難溶性?？扇苄缘拟淃}資源是現今全球開發(fā)利用的主要鉀資源，而中國可溶性鉀資源稀缺，難溶性的鉀鹽，特別是鉀長石的儲量則非常豐富。鉀長石是一種特殊結構的硅酸鹽［2］，K、Al、Si元素呈穩(wěn)定的四面體網絡結構，化學性質極其穩(wěn)定，除了氫氟酸外，常溫、常壓下幾乎不被任何的酸、堿所分解［3］。鉀長石含有的鉀元素被固定在硅氧-鋁氧四面體網格內，不能直接作為含鉀肥料被植物吸收。如何在保證經濟性的前提下，將其變成可溶性鉀元素已成為一項世界性的應用難題。國內外采用了多種工藝進行研究，但都不能滿足節(jié)約資源和環(huán)境友好的可持續(xù)發(fā)展工業(yè)化要求［4］。筆者提出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應的提鉀新工藝，研究各因素對鉀溶出率的影響，旨在為該工藝的規(guī)?；I(yè)生產提供理論參考和設計依據。

1　實驗部分

1.1實驗原料

實驗所用鉀長石來自河南省三門峽地區(qū)的鉀長石礦，其主要化學組分如表1所示。

表1　鉀長石礦主要化學組分%

1.2試劑與儀器

試劑：乙醇、百里香酚藍、檸檬酸、六水氯化鎂、氫氧化鈉、酚酞、四苯硼酸納、尿素和硝酸（質量分數為65%～68%）。

儀器：水熱反應釜（聚四氟乙烯內襯）、SC202-2AB型電熱鼓風干燥機、CP214型光學分析天平、35～40 r/min上下旋轉式振蕩器。

1.3實驗流程

在反應釜中加入一定體積的硝酸和一定質量的尿素反應制成酸解液，將鉀長石粉與磷礦粉按照一定的質量稱量，放入反應釜中，在一定溫度下恒溫反應一定時間后取出，冷卻至室溫，繼續(xù)熟化1.5h，加20 g/L的檸檬酸200 mL浸取、過濾。量取150 mL濾液，用四苯基合硼酸鉀質量法分析濾液中的有效鉀質量，計算有效鉀溶出率，計算公式如下：

2　結果與討論

2.1正交試驗

根據理論分析和前期的實驗結果，在固定鉀長石和磷礦的質量比為0.8∶1的前提下，選擇尿素和硝酸的物質的量比、硝酸用量（mL）、反應溫度（℃）、反應時間（h），設計4因素3水平實驗，如表2所示。正交試驗結果見表3。

表2　正交試驗因素水平表

表3　正交試驗研究結果

由表3可知，鉀溶出率的優(yōu)水平正交序列為A2B2C3D2，即n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1、硝酸用量為4 mL、反應溫度為120℃、反應時間為2 h。在此最優(yōu)條件實驗，有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。由表3還可知，影響鉀溶出率的主次因素：反應溫度（C）＞硝酸用量（B）＞反應時間（D）＞尿素和硝酸物質的量比（A）?；谟绊懸蛩剌^大的3個因素（反應溫度、硝酸用量、反應時間）做進一步的單因素尋優(yōu)實驗。

2.2反應溫度對有效鉀溶出率的影響

在硝酸用量為3.5 mL、反應時間為2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察反應溫度對有效鉀溶出率的影響，結果見圖1。

圖1　反應溫度對有效鉀溶出率的影響

由圖1可知，隨著溫度的升高，有效鉀的溶出率逐漸增加。在75～105℃時，鉀的溶出率增幅明顯，而105℃以后溶出率幾乎恒定。理論分析認為，提高反應溫度，酸解液的黏度降低，有利于固液系統(tǒng)反應的進行；但另一方面，磷礦分解速率增大，會增加磷酸二氫鈣的過飽和度，過多的磷酸二氫鈣結晶，不利于固液系統(tǒng)反應的進一步深化。這2種因素相互作用，促使整個溫度變化過程中有效鉀的溶出率對溫度的敏感性不同?？紤]到溫度提高會導致能量消耗增大，因此選擇較適宜的反應溫度為100～110℃。

2.3硝酸（硝酸脲）用量對有效鉀溶出率的影響

在反應溫度為105℃、反應時間為2 h、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察硝酸用量對有效鉀溶出率的影響，結果見圖2。

圖2　硝酸用量對有效鉀溶出率的影響

由圖2可知，隨著硝酸用量的增加，有效鉀溶出率呈先上升后下降的趨勢。當硝酸用量為4.7 mL時，有效鉀溶出率達到最大（92.55%）。綜合考慮，實驗選擇適宜的硝酸用量為4.5～5.0 mL。

2.4反應時間對有效鉀溶出率的影響

在反應溫度為105℃、硝酸用量為4.7 mL、n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1的條件下，考察反應時間對有效鉀溶出率的影響，結果見圖3。

圖3　反應時間對有效鉀溶出率的影響

由圖3可知，延長反應時間，有效鉀的溶出率呈上升趨勢，時間越長越有利于體系充分反應，也更利于鉀長石硅氧-鋁氧四面體網格結構的破壞，從而使束縛其中的鉀解離出來。然而反應超過1.5 h后，隨反應時間的延長有效鉀溶出率的增加十分緩慢。綜合考慮，實驗選擇適宜的反應時間為1.5～2.5h。

3　結論

1）實驗表明，鉀長石與磷礦、硝酸脲反應提取有效鉀的工藝是可行的。2）通過正交試驗得到優(yōu)水平的工藝條件：反應溫度為120℃；反應時間為2 h；n（尿素）∶n（硝酸）=1∶1；5.5 mol/L的硝酸用量為4 mL。在此條件下進行實驗得到有效鉀的溶出率可達96.23%，水溶性鉀溶出率可達29.65%。3）影響鉀溶出率的主次因素：反應溫度＞硝酸用量＞反應時間＞尿素與硝酸物質的量比。4）通過單因素尋優(yōu)實驗得出鉀長石與磷礦、硝酸脲反應提取有效鉀的工藝適宜條件：反應溫度為100～110℃、硝酸用量為4.5～5.0 mL，反應時間為1.5～2.5 h。

參考文獻：

［1］韓效釗，劉荃，王忠兵，等.鉀長石與磷礦共酸浸制NPK復合肥研究［J］.化肥工業(yè)，2009，36（1）：30-33.

［2］饒東生.硅酸鹽物理化學［M］.北京：冶金工業(yè)出版社，1980.

［3］黃珂，孟小偉，王光龍.鉀長石提鉀研究的進展［J］.磷肥與復肥，2011，26（5）：16-19.

［4］黃珂，王光龍.鉀長石低溫提鉀工藝的機理探討［J］.化學工程，2012，40（5）：57-60.

聯系人：王光龍

聯系方式：glwang@zzu.edu.cn

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中圖分類號：TQ136.1

文獻標識碼：A

文章編號：1006-4990（2013）05-0027-03

收稿日期：2012-11-11

作者簡介：趙玲玲（1983—），女，碩士，主要研究方向為生態(tài)過程與技術，已公開發(fā)表文章1篇。

Study on extraction of potassium feldspar from potassium feldspar-phosphate rock-urea nitrate system

Zhao Lingling，Wang Guanglong
（School of Chemical Engineering and Energy，Zhengzhou University，Zhengzhou 450001，China）

Abstract：New technology of refining potassium from the potassium feldspar-phosphate rock-urea nitrate system was studied in detail，the feasibility of this system to resolve potassium feldspar extracting effective potassium was validated.The orthogonal experiment results showed that the sequence of factors which affected potassium extraction ratio was:reaction temperature>dosage of nitric acid>reaction time>the amount-of-substance ratio of urea to nitric acid.The suitable technology conditions were obtained as follows：the amount-of-substance ratio of urea to nitric acid was 1∶1，nitric acid（5.5 mol/L）dosage was 4 mL，reaction temperature was 120℃，and reaction time was 2 h.Under those conditions，the effective potassium extraction rate could be up to 96.23%，and water-soluble potassium extraction rate reached 29.65%.The suitable technology conditions through the optimization of single factor experiments were as follows:reaction temperature was at 105～115℃，dosage of nitric acid was about 4.7 mL，and reaction time was about 2 h.

Key words：potassium feldspar；urea nitrate；potassium extraction rate