马鸿文;苏双青;杨静;蔡比亚;刘梅堂;姚文贵;彭辉
【摘 要】To develop an efficient and clean technique for comprehensively utilizing potassic syenite resources exposed in the Eastern Qinling to Dabie area of China, a series of experiments were performed using a typical K-feldspar powder as raw material, with focus on the hydrothermal stability of microcline in KOH-H2O solution, reaction principle of preparing potassium sulfate, as well as processing by-products from alumina and silica residue. Microcline was easily transformed into kalsilite by dislodging 2/3 SiO2 of the K-feldspar in the solution, resulting in nearly hundred percent higher concentration of K2O in the solid product, from which nearly pure solution of potassium sulfate was then obtained by dissolution with sulfuric acid, and further potassium sulfate was crystallized by evaporation of the solution or by the alcohol precipitation method. The alkaline solution of mainly potassium silicate reacted with lime milk to precipitate calcium silicate hydrate, from which needle-shaped wollastonite powder was synthesized hydrothermally, and then by cal
cination. The alumina and silica residue were used to make calcined kaolin first by acidic washing, and then by calcination. The whole procedure developed in this research was simple and economical, with recovery ratio of K2O up to 94.0%. In such a way, the components of K2O, Al2O3, and SiO2 in K-feldspar of the ores were wholly transformed to valuable products, giving rise to maximum utilization of K-feldspar resources, and also minimum consumption of relevant mineral resources. The technique is noted for energy conservation, high efficiency and clean production.%针对东秦岭-大别地区富钾正长岩资源的高效清洁利用技术难题，以代表性产地的钾长石粉体为原料，研究了在 KOH-H2O 介质中钾长石的水热稳定性、水热碱法制取硫酸钾的反应原理，以及硅铝组分资源化利用关键技术。结果表明，钾长石在KOH碱液作用下极易脱去2/3的SiO2而转变为钾霞石相，使K2O富集约1倍；继而以硫酸溶解，可得近于纯净的硫酸钾近饱和溶液；经蒸发结晶或醇析法，即可制成农用硫酸钾优等品。脱硅碱液与石灰乳反应所得水合硅酸钙沉淀，经水热晶化及煅烧，产物为针状硅灰石。剩余铝硅尾渣经纯化处理和煅烧，即制成煅烧高岭土。整个工艺过程简捷高效，K2O回收率达94.0%以上，可实现资源利用率最大化，一次性资源消耗量最小化，且环境相容性良好。
【期刊名称】《化工学报》
【年(卷),期】2014(000)006
【总页数】9页(P2363-2371)
【关键词】富钾正长岩;水热;化学反应;硫酸钾;硅灰石;高岭土;绿加工
【作 者】马鸿文;苏双青;杨静;蔡比亚;刘梅堂;姚文贵;彭辉
【作者单位】中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083;中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083; 昊青薪材 北京 技术有限公司，北京 100083;中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083;中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083; 昊青薪材 北京 技术有限公司，北京 100083;中国地质大学材料科学与工程学院，北京 100083;昊青薪材 北京 技术有限公司，北京 100083;昊青薪材 北京 技术有限公司，北京 100083; 陕西大秦钾业有限公司，陕西 西安 710065
【正文语种】中 文
【中图分类】TQ443.5
引 言
钾长石是构成地壳的主要硅酸盐矿物之一。早在20世纪初，科学家就开始了利用钾长石制取钾盐的探索研究[1]。其中对现今仍具有重要影响的制备硫酸钾技术主要有：钾长石-H2SO4-CaF2酸解法[2]，在60～100℃下钾长石可与H2SO4+H2SiF6反应生成K2SiF6[3-4]，以 H2SO4-(NH4)2SO4-CaF2为助剂，150～200℃下钾长石分解率达90%～96%[5]，虽然该法反应温度低，但因助剂用量大，导致能耗甚至高出石灰石烧结法 30.3%[6]，还存在设备腐蚀严重、硫酸钾分离过程复杂、氟化物循环损耗，以及大量副产无机硅产品市场容量受限等难以克服的问题；钾长石-CaSO4-CaCO3烧结法[7-8]，原料配比为钾长石:石膏:碳酸钙（摩尔比）为1:1:20～14，烧结温度1050℃，反应时间2～3 h[9-10]，该法存在烧结物料量大、能耗高于石灰石烧结法、一次性资源消耗量大[6]、硅钙渣排放量大不易处理[11]等缺点。而以脱硫石膏为配料直接生产钾钙硅肥[12]，则存在有效养分含量低、烧结过程环境相容性差等问题。
在自然界存在CO2和H2O的条件下，钾长石经风化作用或低温热液交代，可转变为高岭石[
13]，同时释放出K+，即
借鉴以上自然过程，本文研究了在KOH-H2O介质中钾长石的水热分解反应（脱硅反应），进而利用固相产物钾霞石，采用酸溶法制取硫酸钾（溶钾反应）、利用液相产物硅酸钾溶液副产针状硅灰石，以及利用剩余铝硅滤饼制备煅烧高岭土的关键反应及工艺条件，并对其工程化实施可行性进行评价，以期为优质正长岩型钾资源的高效利用提供依据。
1 关键反应原理
1.1 矿石物相分析
实验原料取自陕西洛南县长岭霓辉正长岩[14]。主要矿物为钾长石（Or90.4Ab9.6），电子探针8个点分析均值（wB,%）：SiO2 63.61，Al2O3 17.58，Fe2O3 0.90，Na2O 1.16，K2O 16.57；晶体化学式：(K0.904Na0.103)[Al0.956FeⅢ0.031Si2.934O8]。由物质平衡原理计算，矿石物相组成为：钾长石 91.4%，霓辉石4.5%，石英3.5%，副矿物0.6%。
矿石经破碎，粉磨至粒径小于74 μm、颗粒含量大于90%的钾长石粉体（表1），作为制取硫酸钾的原料。
1.2 碱溶脱硅反应
水热条件下，钾长石在 KOH溶液中发生分解反应，脱去2/3的SiO2，固相产物为六方钾霞石[15-16]（下文简称钾霞石）。化学反应为
液相产物为硅酸钾溶液，采用石灰乳苛化，即重新生成 KOH溶液，可循环利用；苛化固相产物为水合硅酸钙（CaO·SiO2·nH2O）沉淀。
1.3 酸浸溶钾反应
钾霞石在酸性介质中易于分解，K2O、Al2O3组分可被溶出，SiO2则呈现云霞状硅胶。调节H2SO4用量，可控制仅溶出K2O，得到近于纯净的K2SO4溶液[17]。化学反应为
固相产物为铝硅滤饼，其化学成分与高岭石（Al2O3·2SiO2·2H2O）类似[13]。
表1 钾长石粉体的化学成分分析结果Table 1 Chemical composition of K-feldspar powder/%(mass）Sample SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 FeO MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI total LN-07 64.53 0.05 16.70 0.84 0.13 0.00 0.56 0.99 0.77 14.75 0.04 0.67 100.03
1.4 硫酸钾析晶反应
所得硫酸钾溶液经蒸发结晶，即制得硫酸钾产品。为减少蒸发量，亦可采用醇析法[18]。实验测定60℃下乙醇-水混合溶液中K2SO4的溶解度见表2。综合考虑硫酸钾液相蒸发和回收乙醇的能耗，选择水/乙醇体积比为3:2。醇析后余液升温至80℃，回收乙醇后循环利用。
表2 60℃下乙醇-水混合溶液中K2SO4的溶解度Table 2 Solubility of K2SO4 in ethanol-water mixed solution at 60℃Sample Water:Ethanol(vol. ratio)Solubility/g·ml−1 Rate of precipitation/%CX-1 2:1 1.6976×10−2 85.98 CX-2 3:2 0.9618×10−2 91.18 CX-3 1:1 0.4114×10−2 95.47 CX-4 2:3 0.1430×10−2 98.03
2 硫酸钾制备实验
2.1 钾长石碱溶脱硅
实验方法：取钾长石粉体 150 g，定量分析纯KOH (纯度≥90%)，按液固质量比为3量取蒸馏水。物料混合均匀后，置于容积1.0 L的反应釜中。在搅拌（200 r·min−1）下加热至设定
温度，恒温反应设定时间。通冷凝水冷却，抽滤分离。固相产物用热水洗涤。
2.1.1 反应温度 设定反应温度分别为220、240、260、280℃，恒温反应4 h；按照反应式（1）的计量比（记为 R1.0），KOH配比过量 1倍（R2.0）。结果表明，反应温度达240～280℃时，钾长石即完全分解。240℃下固相产物为亚稳态钾霞石 T（trikalsilite）；更高温度下，产物为纯相钾霞石 K（kalsilite）（图 1）。
2.1.2 反应时间 设定反应温度为 280℃，反应时间分别为1、2、3 h；KOH配比R2.0。结果表明，反应时间为1 h，钾长石即完全分解，固相产物为亚稳态钾霞石T；延长反应时间至2 h，固相则转变为纯相钾霞石K（图2）。
2.1.3 KOH配比 设定反应温度为280℃，反应时间2 h；KOH配比分别为R1.0、R1.3、R1.5。结果表明，KOH配比由R2.0（图2）减少至反应式（1）的计量比R1.0时，钾长石仍可完全分解（图3）。
优化实验：取钾长石粉体 5.0 kg，KOH配比R1.0，液固质量比为3。混合物料置于容积25 L的反应釜中，升温至260℃，恒温反应2 h。所得产物为钾霞石滤饼和硅酸钾碱液，分别用作后续制备硫酸钾和针状硅灰石的原料（表3、表4）。
图1 不同温度下反应产物的X射线粉末衍射图Fig. 1 XRD patterns of products obtained at different temperatures
图2 不同反应时间下固相产物的X射线粉末衍射图Fig. 2 XRD patterns of products obtained at different time
图3 不同KOH配比下反应产物的X射线粉末衍射图Fig. 3 XRD patterns of products obtained at different KOHdosage
2.2 钾霞石酸浸溶钾
实验方法：取钾霞石粉体(KX-1)50 g，按液固质量比为5量取蒸馏水，以反应式（2）的计量比过量20%加入硫酸（98%）。将烧杯置于恒温水浴中，在搅拌（150 r·min−1）下升温至 60℃反应设定时间，抽滤分离。铝硅滤饼用热水洗涤。滤液主要成分为 K2SO4，采用四苯硼钠重量法测定 K+含量，EDTA络合法测定Al3+含量，计算K2O和Al2O3的溶出率。
表3 钾霞石滤饼的化学成分分析结果Table 3 Chemical composition of kalsilite filter cake/%（mass）Sample SiO2 TiO2 Al2O3 Fe2O3 MnO MgO CaO Na2O K2O P2O5 LOI total K
X-1 37.80 0.07 29.60 1.88 0.01 0.45 0.84 0.38 27.54 0.04 0.77 99.38
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