低品位非水溶性含钾岩石复合助剂法提取钾盐工艺研究

摘要

钾是地壳中储存非常丰富的碱金属元素，它在自然界中的存在形式多种多样，主要以化合物的形式存在。钾资源对国民经济的发展起着关键作用，主要分为水溶性钾资源和非水溶性钾资源两大类。其中水溶性钾资源是生产钾盐的主要来源，也是目前钾肥生产的最重要原料，目前可利用的水溶性钾资源主要有5种类型。总体来看，水溶性钾资源储量少且分布不均。但是，非水溶性钾资源尤其是含钾岩石储量却很丰富，而且分布广泛、品质优良，主要包括钾长石、明矾石、黑云母、霞石、白榴石，以及砂页岩、正长岩、火山岩、板岩等等。因此，研究开发非水溶性钾资源意义重大，首先可综合利用我国的富钾岩石资源以缓解我国钾肥资源短缺的问题，其次可为实现我国钾资源的可持续利用提供理论依据与科技支撑。
　　处理含钾岩石的传统方法是高温焙烧分解法，但是这种方法成本过高，加之带来的环境污染问题，本文尝试使用复合助剂法从非水溶性含钾岩石中提取钾盐，该工艺流程短、能耗相对较低，同时保证了钾的浸出率在90％以上。整个工艺流程主要包括三大步骤:（一）焙烧分解:非水溶性含钾岩石与复合助剂充分混合均匀后于800℃焙烧，将不溶性的钾离子转变为可溶性钾离子。（二）水洗浸出:焙烧分解工艺得到的渣相在80℃下以液固比1:1水洗2h，过滤得水洗渣与水洗液。（三）水洗液除杂、钠钾分离:首先除去水洗液中的钙离子，然后通过结晶法（包括蒸发结晶法和醇结晶法）与阳离子交换树脂法尝试分离除钙后的混合盐溶液中的钠离子和钾离子，产品烘干即得到可溶性钾盐。
　　本文系统研究了以非水溶性含钾岩石（钾长石、黑云母）为原料的复合助剂法提取钾盐新工艺的详细过程，分析了焙烧温度、焙烧时间、浸出温度、浸出时间、液固比以及不同的助剂等因素对非水溶性含钾岩石中钾提取率的影响，同时对复合助剂法处理钾长石的焙烧分解机理及水洗浸出工艺的动力学进行了深入探讨。主要研究内容和成果如下:
　　(1)对复合助剂焙烧工艺进行探索优化，确定较优的焙烧分解工艺条件，同时探讨焙烧过程的分解反应机理，初步确定分解反应规律。焙烧分解工艺优化条件为:以钙盐（如:氯化钙、碳酸钙等）和钠盐（如:碳酸钠、氯化钠等）为复合助剂，焙烧温度800℃，焙烧时间4h。焙烧热力学分解机理表明使用复合助剂法能够降低含钾岩石分解温度、减少能耗。
　　(2)对水洗浸出工艺进行探索优化，确定水洗浸出工艺的较优反应条件，同时对水洗过程中钾的浸出规律进行动力学探讨，确定水洗浸出的分离规律。水洗浸出工艺优化条件为:液固比1:1，反应温度80℃，反应时间2h。采用动力学方程对水洗浸出过程进行线性拟合，结果表明水洗阶段钾的浸出主要受内扩散过程控制。
　　(3)对水洗浸出液进行除杂，并初步探索了除钙后的混合盐溶液中钠离子和钾离子的分离方法。向水洗浸出液中添加适量的碳酸钠以除去水洗液中的钙离子。将除钙后的混合盐溶液分别通过结晶法（蒸发结晶法和醇结晶法）与阳离子交换树脂法进行钠钾分离。结果表明:阳离子交换树脂法分离效果较差;通过结晶产品的XRD谱图可知，与蒸发结晶法相比，醇结晶法得到的产品氯化钾的衍射峰增强，氯化钠的衍射峰减弱，因而醇结晶法分离效果优于蒸发结晶法，但这两种结晶方法均未将钠离子和钾离子完全分离。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 研究背景

1．2 钾资源概况

1．2．1 钾资源的种类

1．2．2 世界钾资源的分布

1．2．3 国内钾资源概况

1．3 非水溶性含钾岩石开发利用现状

1．3．1 非水溶性含钾岩石直接用于农业

1．3．2 非水溶性含钾岩石的活化与转化

1．3．3 钾的提取方法

1．4 钾长石概况

1．4．1 钾长石分布

1．4．2 钾长石的结构与性质

1．4．3 钾长石提钾进展

1．4．4 提钾机理研究

1．5 云母概况

1．5．1 云母资源分布

1．5．2 云母主要用途

1．5．3 黑云母的性质

1．5．4 黑云母的用途

1．6 本文的研究内容

2 实验部分

2．1 实验原料、试剂和仪器

2．1．1 实验原料

2．1．2 实验试剂

2．1．3 实验仪器

2．2 实验方法

2．2．1 矿物破碎、振磨、粒度筛选实验

2．2．2 焙烧分解工艺

2．2．3 焙烧渣水洗工艺

2．2．4 水洗液除杂、钠钾分离实验

2．3 分析表征方法

2．3．1 钾的浸出率的计算

2．3．2 粉末X荧光半定量分析(XRF)

2．3．3 X射线衍射(XRD)物相分析

2．3．4 电感耦合等离子体原子发射光谱仪(ICP-OES)分析

2．3．5 扫描电镜及能谱分析(SEM-EDS)

2．3．6 同步TGA-DSC热重分析

3 焙烧分解工艺

3．1 成分和热重分析

3．1．1 成分分析

3．1．2 热重分析

3．2 高温焙烧分解工艺

3．2．1 高温焙烧分解原理

3．2．2 焙烧工艺条件探索

3．3 焙烧渣物相分析

3．3．1 XRD分析

3．3．2 SEM-EDS分析

3．4 焙烧分解工艺主要反应过程的热力学分析

3．4．1 热力学机理分析

3．4．2 主要反应过程热力学计算

3．4．3 热重分析

3．5 焙烧分解工艺小结

4 焙烧渣水洗工艺

4．1 水洗工艺原理

4．2 水洗工艺条件探索

4．2．1 水洗温度对钾提取率的影响

4．2．2 水洗时间对钾提取率的影响

4．2．3 液固比对钾提取率的影响

4．3 水洗渣物相分析

4．3．1 XRD分析

4．3．2 SEM-EDS分析

4．4 水洗工艺浸出动力学研究

4．4．1 水洗浸出反应动力学理论模型

4．4．2 水洗浸出反应动力学研究

4．5 水洗工艺小结

5 水洗液除杂、钠钾分离工艺

5．1 水洗液除杂、钠钾分离工艺原理

5．1．1 水洗液除杂原理

5．1．2 水洗液钠钾分离原理

5．2 水洗液除杂实验及产品分析

5．2．1 XRD分析

5．2．2 XRF分析

5．3 钠钾分离实验产品分析

5．3．1 结晶法分离

5．3．2 阳离子交换树脂法分离

5．4 水洗液除杂、钠钾分离工艺小结

6 结论和展望

6．1 结论

6．2 展望

参考文献

个人简历

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致谢