煅烧分解钾长石提取碳酸钾的实验研究

1. 1 1. 0 1. 2 1. 0 1. 2 1. 1 1. 2 1. 1 1. 0
98. 94 99. 20 99. 40 0. 46
99. 85 99. 63 99. 82 98. 94 99. 25 99. 51 99. 12 98. 87 98. 25
Na[ AlSi 3O8] + 3 K2CO3 = NaAlO2 + 3 K2SiO3 + 3CO2 ↑
根据热力学分析和计算 , 结合熟料中少量不溶 物的物相鉴定 , 可推测钾长石 + K2CO3 体系热分解 反应的可能反应步骤 。因为熟料几乎全溶于水 , 产 物中不会出现钾长石玻璃或高温透长石 , 熟料物相 只有铝酸盐 、偏硅酸盐等可溶性盐类 ; 另外 , 不溶物 残渣中有 Ca2SiO4 , 故可假定有下列反应发生 。结合 查阅的热力学数据 [9 ,10 ] , 初步计算了各个反应在 1133 K条件下的吉布斯函数变均小于 0 , 表明下列 各反应在该条件下能自发反应 :
K+体系 。将母液用 CO2 酸化 , 偏硅酸根等离子以原
硅酸或聚硅酸的形式沉淀下来 。选择 CO2 的最主要
原因是 : 本项工艺前部焙烧反应过程中放出大量的
CO2 ,若该工艺工业化后 ,不对此回收 ,势必对大气构
—5 —
第 27 卷第 1 期
非金属矿
2004 年 1 月
表 1 原料的化学全分析结果/ %
样品
SiO2
TiO2
Al 2O3
Fe2O3
源自文库
FeO
MnO
MgO
CaO
Na2O
K2O
P2O5
H2O +
H2O -
JS- 1 JS- 2
55. 01 62. 04
0. 72 0. 86
18. 15 18. 87
7. 52 0. 14
开发非水溶性钾矿资源生产钾盐 , 主要利用钾 长石热分解 - 水浸法提取钾盐 , 研究重点在于助熔 剂和工艺条件的选择 。赵恒勤 [1 ]等利用碱石灰助熔 烧结钾长石 , 解决了焙烧工艺问题 ; 湖南化工研究 院采用旋风冶炼 , 以煤 、磷矿石 、钾长石 、白云石和 氯化钙为原料 ,得到钾肥和钙镁磷肥 [2 ];四川地矿局 利用绿豆岩 (富钾凝灰岩) 生产钾镁硅肥获得成功 , 实现了由非水溶性钾矿资源直接生产钾肥 [3 ]。但目 前的工作 , 缺乏从热力学 、动力学及反应机理方面 深入研究 。文献[ 4]分析了在有石膏 、碳酸钙条件下 钾长石分解的动力学 , 但焙烧熟料体系的复杂性 , 对于制备纯度较高的钾盐 , 或者说对于浸取液的分 离 ,势必存在问题 。国外 ,只有印度学者 Saxena E 和 Dasgupta A 等在钾长石焙烧工艺方面有过报道 [5 。 ,6 ]
0. 28 0. 03
0. 08 0. 00
0. 73 0. 64
0. 67 0. 50
0. 38 0. 40
14. 01 14. 97
0. 30 0. 20
1. 78 0. 82
0. 20 0. 11
2 结果与讨论 2. 1 焙烧原矿 从热力学角度来说 , 温度是决定 反应能否发生的主要因素 。为了找出较佳的煅烧温 度 ,实验中设计了温度单因素实验 (表 2) ,分别将配 比 为 钾 长 石 ∶K2CO3 = 1 ∶1. 2 的 反 应 物 料 , 在 740 ℃、760 ℃、780 ℃、800 ℃、820 ℃、840 ℃、860 ℃、 880 ℃和 900 ℃温度下进行焙烧 , 固定反应时间为 1h ,生料粒度为 80 目 ,钾长石分解率见表 2。从结果 可知 , 平衡反应的温度亦即焙烧反应的较佳温度范 围为 820～880 ℃。由于 K2CO3 的熔点为 913 ℃,故无 再提高反应温度的必要 。
品达到彩电工业用碳酸钾 (电子级) 的质量要求 , 从 而使矿物聚合材料成为该工艺的净产出 。本项工艺 之所以用碳酸钾做焙烧助剂 , 是因为钾激发矿物聚 合材料的性质远优于其它激发剂 [8 ]。技术经济分析 表明 ,该工艺有着良好的产业化前景 。 1 实验部分 1. 1 原料 钾长石矿粉来自于江苏丰县 , 物相分 析表明 ,其主要成分为钾长石 、伊利石 、石英 ,另含少 量针铁矿等 ,样品 J S - 1 化学全分析结果见表 1。作 为焙烧原料 , 本实验对该矿粉进行了破碎至 120 目 、 摇床选矿 、酸法除铁的预加工 ,以提高原料中钾长石 的含量 。除铁后的钾长石粉样品 J S - 2 化学全分析 结果 ,见表 1。
( 3) 3 K[ AlSi 3O8] + 9 K2CO3 = K3Al 3O6 + 9 K2SiO3 + 9CO2 ↑
( 4)
3Ca[ Al 2Si 2O8] + 7. 5 K2CO3 = 2 K3Al 3O6 + 1. 5Ca 2SiO4
+ 4. 5 K2SiO3 + 7. 5CO2 ↑
( 5)
摘 要 探讨了碳酸钾助熔焙烧钾长石分解 , 熟料水浸取 , CO2 酸化浸取液 , 过滤除去沉淀 , 滤液经结晶除杂提取碳酸钾的过程 。实验表 明 : 分解钾长石最佳焙烧温度为 860 ℃, 焙烧时间 40min , 滤液酸化后的最佳 p H 值为 8. 0 , 滤液制备出的 K2CO3 , 达到 GB/ T1587 - 2000 Ⅱ型要 求 。并用差热/ 热失重和 X 粉晶衍射法对焙烧熟料进行分析 ,初步分析了分解反应的机理 。
本文从实验上得出钾长石在助熔剂 K2CO3( 工 业级合格品) 存在的情况下煅烧分解 , 熟料水浸取 , 再用 CO2 酸化浸取液 , 原钾长石中的 Si 、Al 等元素 沉淀 ,沉淀物用于制备矿物聚合材料 [8 ];滤液经浓缩 除杂 , 制备出电子级碳酸钾 。本项研究中原料焙烧 用掉的是纯度较低的碳酸钾 (工业级合格品) , 而产
第 27 卷第 1 期 2004 年 1 月
非金属矿
Non - Metallic Mines
Vol. 27 No. 1 Jan. , 2004
煅烧分解钾长石提取碳酸钾的实验研究
苗世顶1 ,2 马鸿文 1 冯武威 1 张 盼 1 刘 贺 1
(1 中国地质大学材料科学与工程学院 ,北京 100083 ;2 阜阳师范学院化学系 ,阜阳 236300)
度强
2500 2000 1500 1000 500
0
A A A :β- Ca3SiO5 B : K2CO30. 5H2O
C :Ca2Fe (SiO2) (Si2O7) (OH) xH2O
A C A
C
C
A A
BBBCCB
B B
A BB A
ABBB B B B
0 10 20 30 40 50 60 70 2θ/ (°)
关键词 钾长石 煅烧 分解反应 碳酸钾 矿物聚合材料
Key words K- feldspar calcination dissociation reaction potassium carbonate mineral polymeric material
碳酸钾广泛应用于化工 、电子 、玻壳 、陶瓷 、印 染 、油墨 、照相药品 、聚酯 、炸药 、电镀 、制革 、建材 、 水晶及医药等领域 [7 ] , 是工业生产不可缺少的重要 原料 。特别是用于生产玻璃 、光学玻璃 ,是生产电子 管 、电视机显像管 、计算机显示器玻壳的主要原 料 。近年来 , 电子 、电视机和计算机工业的发展 , 对 电子级碳酸钾产品的需求增长 ,市场前景看好 。
2FeOOH = Fe 2O3 + H2O ↑
( 6)
K 1 - x {Al 2[ ( Si 3 + xAl 1 - x) 4O10] (OH) 2} + K2CO3 =
K3Al 3O6 + K2SiO3 + CO2 ↑+ H2O ↑
( 7)
2. 2 CO2 酸化实验 浸取液呈强碱性 , 化学分析
结果 (表 4 中 J S - 1 样品) 表明其主要成分是 SiO32 - 、
表 2 焙烧温度对分解率的影响
焙烧温 度/ ℃ 740 760 780 800 820 840 860 880 900 分解率
75. 3 74. 6 78. 11 77. 21 92. 51 96. 08 97. 56 92. 80 89. 20 %
有了温度单因素实验的基础 , 设计了 4 因素 3 水平的正交实验 , 影响分解率的主要因素有生料粒 度 、焙烧温度 、焙烧时间和碳酸钾用量 。经过数轮正 交实验 , 得出最佳反应条件 : 焙烧温度 860 ℃; 焙烧 时间为 40min ; 生料粒度对分解率影响不大 , 碳酸钾 适宜加入量为钾长石 ∶K2CO3 = 1 ∶1. 2 ; 考虑到成 本 ,碳酸钾用量不宜过大 。
图 2 不溶物残渣的 X - 粉晶衍射图
(测试单位 :石油化工研究院物质结构室)
表 3 碳酸钾助熔焙烧分解钾长石实验结果
正交序列
生料粒度 目
焙烧温度 ℃
焙烧时间 min
碳酸钾量
分解率 %
1132 2111 3123 1221 2233 3212 1313 2322 3331
K( 1 ,j) K( 2 ,j) K( 3 ,j) 级差
750
钾长石
伊利石
500
针铁矿
度强
250
图1
0 10
30
50
70
2θ/ (°)
钾长石粉体原料 FXY的 X 射线粉末衍射图
(测试单位 :石油化工研究院物质结构室)
1. 2 工艺流程简介 反应物料质量配比为钾长石 ∶K2CO3 = 1 ∶1. 2。将反应物料置振荡磨样机均混 后 ,用高温箱式电炉进行焙烧 。得到的熟料溶于水 , 溶液通入 CO2 气体 ,并充分搅拌 。过滤除去沉淀物 , 滤液浓缩经 KMnO4 除杂 , 结晶得碳酸钾产品 ; 滤饼 加入粉煤灰等 ,得矿物聚合材料 。
60 80 100 60 80 100 60 80 100
99. 30 99. 25 99. 19 0. 11
860 860 860 880 880 880 900 900 900
99. 77 99. 23 98. 75 1. 02
80 40 60 60 80 40 40 60 80
99. 42 99. 21 99. 17 0. 30
Abstract K- feldspar is decomposed by calcination with the flux of potassium carbonate , the resultant was resolved in water , acidified by CO2 , the residue was removed by filtration and the remaining solution was prepared potassium carbonate. The experiment shows the optimum reaction temperature is 860 ℃; The calcination time is 40min ; the p H of acided filtrated solution is 8. 6 ; and K2CO3 prepared by filtrated solution is up to GB/ T 1587 - 2000 Ⅱ specification. In addition , the resultant is analyzed by thermal analysis of TGand DTA , and the baked materials were analyzed by X - ray diffraction. With the above analysis , the dissociation mechanism is proposed.
为了进一步弄清反应产物的物相 , 实验在测定 分解率即水溶解产物后 , 对所留下的不溶物残渣 , 进行了 X - 粉晶衍射的物相鉴定 (图 2) 。结果表明 , 残渣含有β - Ca2SiO4(卡片号 : 49 - 1673) 、Ca2FeAl 2 ( SiO4) ( SiO7) (OH) 2 ·xH2O(卡片号 : 39 - 1368) 和 K2CO3 ·0. 5H2O(卡片号 : 11 - 0655) 。这在一定程度 上揭示了原钾长石中针铁矿 、白云石等含 Fe 、Ca 等 的矿物 ,在焙烧过程中的物相转变 (图 2) 。