利用钾长石制备硅钙钾镁肥的试验研究

Experimental Study on Preparation of Silicon-Calcium-Potassium-Magnesium Fertilizer from Potash Feldspar

佟哲磊Zhelei TONG

葫芦岛锌业股份有限公司辽宁葫芦岛 125003 Huludao Zinc Industry Co., Ltd., Huludao, Liaoning 125003, China

摘要：

以钾长石为原料，白云石和磷石膏为助剂，硫酸钠为添加剂，采用焙烧分解的方法制备硅钙钾镁肥。试验考察了原料粒径、焙烧温度、焙烧时间、添加剂用量对钾长石分解率的影响，结果表明：在钾长石、白云石、磷石膏原料质量比为1.00 ∶1.15 ∶1.00、原料粒径＜75 μm、添加剂硫酸钠用量为原料质量的2%、温度为1 075 ℃的优化条件下焙烧1 h，钾长石分解率最高，达到了96.18%。优化后的工艺提高了产品有效成分的稳定性，降低了生产成本。

关键词：

水溶性钾盐; 硅钙钾镁肥; 钾长石; 分解率; 焙烧; 添加剂;

Abstract：

Using potash feldspar as raw material, dolomite and phosphogypsum as promoters, sodium sulfate as additive, silicon-calcium-potassium-magnesium fertilizer is prepared by roasting decomposition method. The effect of particle size of raw materials, roasting temperature, roasting time and amount of additive on the decomposition rate of potash feldspar are investigated. The results show that under the optimal condition when the raw material mass ratio of potash feldspar, dolomite and phosphogypsum is 1.00 ∶1.15 ∶1.00, the raw material particle size is less than 75 μm, the additive sodium sulfate is 2% of the raw material mass, the temperature is 1 075 ℃ and the roasting time is 1 hour, the decomposition rate of potash feldspar is the highest reaching 96.18%. The optimized process improves the stability of the effective constituents of the product and reduces the production cost.

Keyword：

water-soluble potassium salt; silicon-calcium-potassium-magnesium fertilizer; potash feldspar; decomposition rate; roasting; additive;

水溶性钾盐是我国最紧缺的矿产之一，其储量折合K₂O约为450 Mt，仅占世界总储量的2.647%^[1]。钾长石也称正长石，属单斜晶系，通常呈肉红色、白色或灰色。以钾长石为主要物相的非水溶性钾盐资源在我国的储量估计超过20 Gt，因此利用非水溶性钾盐是保障我国经济可持续发展的重要途径之一，具有巨大的经济价值和社会价值^[2-3]。目前，钾长石的利用已从单一提取水溶性钾^[4]转向综合利用其中的钾、硅等元素^[5]，以钾长石为原料，白云石和磷石膏为助剂，高温焙烧制备硅钙钾镁肥已成为研究热点^[6-11]。该技术可以实现有效利用钾长石中的钾、硅元素，以及白云石、磷石膏中的钙、镁元素，形成以硅、钙、钾、镁为主要元素的中微量元素矿物质肥料，能够为植物提供枸溶性及部分水溶性营养成分，显著改善土壤结构，提高土壤肥力。本文通过优化现有生产工艺条件，以提高产品有效成分的稳定性，降低生产成本。

1 试验材料与方法

1.1 试验仪器及材料

9602B型火焰光度计，沈阳华光精密仪器有限公司。

钾长石、白云石，葫芦岛宏跃集团有限公司；磷石膏，秦皇岛华瀛磷酸有限公司；添加剂硫酸钠，质量分数≥99%，分析纯，国药集团化学试剂有限公司。

1.2 试验方法

将钾长石、白云石及磷石膏等原料粉碎至粒径为75 μm，按照钾长石、白云石、磷石膏质量比为1.00 ∶1.15 ∶1.00混合均匀，置于瓷坩埚内，放入已设定温度为1 150 ℃的马弗炉中焙烧2 h后，将样品取出并在干燥的空气中冷却至室温，再磨成粉末密封储存。称取焙烧产物(精确至0.2 mg)置于容量瓶中，用稀酸浸取，以蒸馏水定容，采用9602B型火焰光度计对浸取液中的钾进行检测，根据测定结果计算钾长石的分解率。

2 试验结果与分析

2.1 原料粒径对钾长石分解率的影响

将各种原料粉碎后，分别过150、100、75 μm标准筛，按设定的质量比将原料混合均匀，分别在950、1 000、1 050、1 100、1 150 ℃下焙烧2 h，钾长石分解率见图 1。

图 1

原料粒径对钾长石分解率的影响

由图 1可知，原料粒径对钾长石分解率的影响较大，分解率随原料粒径的减小明显增大。随原料粒径的减小，相同质量物料的比表面积增大，物料间的反应更充分，钾长石的分解率增大。故在焙烧温度、焙烧时间相同，未使用添加剂的情况下，钾长石粒径小于75 μm时具有较高的分解率。

2.2 焙烧温度对钾长石分解率的影响

将粉碎后过75 μm标准筛的各种原料按比例混合均匀，分别在950、1 000、1 050、1 100、1 150、1 200、1 250 ℃下焙烧2 h，钾长石分解率见图 2。

图 2

焙烧温度对钾长石分解率的影响

由图 2可知：焙烧温度在950~1 150 ℃时，随焙烧温度的提高，钾长石分解率明显增大；当焙烧温度大于1 150 ℃后，钾长石分解率基本不变。故在原料粒径、焙烧时间相同，未使用添加剂的情况下，钾长石的反应活性随温度的升高而增加，当温度为1 150 ℃时，钾长石分解率达到峰值。

2.3 焙烧时间对钾长石分解率的影响

将粉碎后过75 μm标准筛的各种原料按比例混合均匀，在1 150 ℃下分别焙烧0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0 h，钾长石分解率见图 3。

图 3

焙烧时间对钾长石分解率的影响

由图 3可知：钾长石的分解率随焙烧时间的延长而增大，当焙烧时间为2.0 h时，钾长石分解率为86.88%；继续延长焙烧时间，钾长石分解率几乎不变。因此，在原料粒径、焙烧温度相同，未使用添加剂的情况下，反应体系的最佳焙烧时间为2.0 h。

2.4 添加剂用量对钾长石分解率的影响

设定添加剂质量为原料质量的0%、1%、2%、3%，将添加剂与粉碎后过75 μm标准筛的各种原料混合均匀，在1 150 ℃下分别焙烧0.5、1.0、1.5、2.0 h，钾长石分解率见图 4。

图 4

添加剂用量对钾长石分解率的影响

由图 4可知：随添加剂用量增加，钾长石分解率逐渐增大，且在添加剂用量为2%时，钾长石分解率达到最大；继续增加添加剂用量，钾长石分解率增大效果不再明显；在使用添加剂的情况下，焙烧时间达到1.0 h后，钾长石分解率基本不变。因此，在焙烧温度为1 150 ℃时，在反应体系中加入2%的添加剂后，焙烧时间达到1.0 h即可。

2.5 使用添加剂时焙烧温度对钾长石分解率的影响

由于上述焙烧温度较高，试验考察了在使用添加剂的情况下，反应体系的最佳焙烧温度。将添加剂(添加质量为原料质量的2%)、粉碎后过75 μm标准筛的各种原料混合均匀，分别在1 000、1 025、1 050、1 075、1 100、1 125、1 150 ℃下焙烧1.0 h，钾长石分解率见图 5。

图 5

使用添加剂时焙烧温度对钾长石分解率的影响

由图 5可知：在使用添加剂的情况下，随着焙烧温度的提高，钾长石分解率逐渐增大；当焙烧温度为1 075 ℃时，钾长石分解率最大，为96.18%。

3 结语

在原料钾长石、白云石、磷石膏的质量比为1.00 ∶1.15 ∶1.00，原料粒径小于75 μm，添加剂用量为原料质量的2%，焙烧温度为1 075 ℃的条件下，焙烧1.0 h，所得焙烧产物为一种富含硅、钙、钾、镁等中微量元素的矿物质复合肥料，呈弱碱性，在水中的溶解度可达20%以上，在质量分数2%柠檬酸溶液中的溶解度大于85%，其中有效氧化钾、有效二氧化硅、有效氧化钙、有效氧化镁、有效硫(以三氧化硫计)的质量分数依次大于4%、18%、25%、5%、5%，产品有效成分的稳定性优于市场上的同类产品。

ckwx 参考文献

国土资源部信息中心. 世界矿产资源年评: 2003—2004[M]. 北京: 地质出版社, 2005: 257-262.

马鸿文, 白志民, 杨静, 等. 非水溶性钾矿制取碳酸钾研究: 副产13X型分子筛[J]. 地学前缘, 2005, 12(1): 137-155.

马鸿文, 杨静, 王英滨, 等. 非水溶性钾矿制取碳酸钾: 副产硅铝胶凝材料[J]. 地球科学, 2007, 32(1): 111-118.

汪碧容, 石林. 钾长石-硫酸钙-碳酸钙体系的热分解体系研究[J]. 非金属矿, 2011, 34(2): 8-10.

宋一涵, 李洪牧, 马淑花, 等. 钾长石提钾及制备复合肥料的研究进展[J]. 过程工程学报, 2018, 18(2): 241-257.

李小燕, 万夫伟, 彭学平, 等. 焙烧钾长石生产硅钙钾肥的矿物组成研究[J]. 硅酸盐通报, 2015, 34(12): 3648-3651.

李小燕, 俞为民, 朱金波, 等. 硅钙钾肥生产新工艺[J]. 磷肥与复肥, 2015, 30(10): 18-20.

王儒富, 徐光域, 廖碧蓉, 等. 不溶含钾岩石转化为硅钙钾肥的研究[J]. 成都大学学报(自然科学版), 1999, 18(2): 45-49.

付强强, 沈彦辉, 高璐阳. 矿物型土壤调理剂生产技术及应用效果[J]. 肥料与健康, 2020, 47(6): 21-25.

吴秋生, 李小燕, 范道荣, 等. 硅钙钾镁硼肥的开发与制备技术研究[J]. 肥料与健康, 2020, 47(6): 66-69.

万夫伟, 李小燕, 吴锡林, 等. 硅钙钾土壤调理剂造粒烘干工艺研究[J]. 化肥工业, 2019, 46(5): 23-25.