氯化钙和氯化钠分解钾长石提钾的动力学实验

氯化钙和氯化钠分解钾长石提钾的动力学实验 文章编号:1008-7524201101-0011-03氯化钙和氯化钠分解钾长石提钾的动力学实验胡天喜于建国华东理工大学化学工程联合国家重点实验室上海200237摘要:采用焙烧法对添加氯化钙和氯化钠混合助剂的钾长石体系进行动力学实验结果表明改变反应温度、助剂用量和钾长石粒度分解反应过程符合Ginstling-Brundshtein动力学方程根据Arrhenius经验公式求得分解反应表观活化能为58.6kJ/mol比氯化钙体系降低68.34kJ/mol比氯化钠体系降低22.82kJ/mol表明采用氯化钙和氯化钠混合助剂能有效降低反应体系的表观活化能提高反应速率。关键词:钾长石分解动力学表观活化能中图分类号:TQ443.5TQ013.2文献标识码:A0引言钾长石是含钾岩石中的一种是潜在的钾肥资源。我国的钾长石储量巨大主要分布于山西、山东、四川、安徽和新疆等省区1。采用高温热分解法从钾长石中提取可溶性钾是开发利用钾长石资源的一种重要方法一般都需要添加分解助剂进行熔浸国内研究者已经做过许多这方面的探索25。CaCl2和NaCl的价格较低工业原料可以从纯碱行业的废渣和废液中获取对设备的腐蚀性小获得的分解率相对较高。在前期实验6的基础上结合有关冶金动力学的研究方法和实验79本实验拟采用CaCl2和NaCl作混合助剂进行热分解钾长石提钾的动力学实验重点考察反应温度、助剂比和钾长石粒度等主要因素对化学反应速率的影响从而更好地控制化学反应过程。1实验1.1原料与试剂原料钾长石来自山西闻喜县无水氯化钙、氯化钠、氯化钾、四苯硼钠、氢氧化钠、硫酸镁、十六烷基三甲基溴化铵、乙酸钠、冰乙酸均为纯95乙醇为化学纯。1.2实验装置与分析仪器PE60100型颚式破碎机QM-1SP型行星式球磨机KSJD-6.3-16型马弗炉SHZ-D型循环水式真空抽滤机XRF-1800型X射线荧光光谱仪MASTERSIZER2000型激光衍射粒度仪。1.3实验方法将钾长石用颚式破碎机破碎至-6mm用行星磨粉磨1h用套筛筛分称取粉样50g放入200mL的瓷坩埚加入适量的助剂搅拌混匀放入预先升温的马弗炉中焙烧将焙烧后的产物放在室温下自然冷却至常温用水浸出过滤对滤液进行钾含量测定。采用四苯硼钠-季铵盐容量法测定钾含量。反应分数f的计算式为:浸取液中氧化钾质量/钾长石试样中氧化钾质量。采用X射线荧光光谱仪测定钾长石样品的化学成分操作条件:电压3050kV电流50100mA气氛为真空。使用激光衍射粒度仪测定钾长石粒度时用水作分散剂选择红光吸收率。2结果与讨论2.1钾长石的特征分析用X射线荧光分析法对钾长石样品进行化11试验研究IMP化工矿物与加工2011年第1期收稿日期:2010-09-27作者简介:胡天喜1978-男浙江永康人博士后从事无机化工方面的研究E-mail:tianxihuyahoo.cn。学成分分析结果见表1用X射线衍射法对钾长石样品进行属性判断分析结果见图1。表1钾长石的化学组成 SiO2Al2O3K2ONa2OFe2O3Rb2OCaOBaOCr2O3MnONiOSrOCuO质量分数66.6217.8912.651.570.610.170.150.130.120.020.020.010.01图1钾长石的X射线衍射谱由图1可知钾长石中含少量的钠长石和石英通过查阅粉末衍射标准联合委员会国际衍射数据中心数据库JCPDS-ICDD可知该钾长石为钾微斜长石属三斜晶系。2.2焙烧温度对分解速率的影响先混合反应物料混合助剂中CaCl2与NaCl的质量比为2??1混合助剂与钾长石的质量比为1.2??1钾长石的粒度为-75m。分别将准备好的混合物料在973、1023、1073和1123K的温度下焙烧测定钾长石热分解反应分数f即提取率见图2并将不同反应温度下的反应分数与反应时间分别代入不同的 Ginstling-Brundshtein动力学方程7:1-23f-1-f2/3kt1对按照动力学方程式1计算得到的数值进行拟合基本符合直线关系见图3说明分解反应过程符合Ginstling-Brundshtein 动力学方程。用最小二乘法回归各直线方程直线斜率即为反应速率k以lnk对1/T作图 也得直线见图4。根据Arrhenius经验公式10由直线斜率即可求得分解反应表观活化能 为58.6kJ/mol而氯化钙与钾长石体系的表观活化能11为126.94kJ/mol氯化钠与钾长石 体系的表观活化能12为81.42kJ/mol氯化钙和氯化钠混合体系表观活化能比氯化钙体 系降低68.34kJ/mol比氯化钠体系降低22.82kJ/mol表明采用氯化钙和氯化钠作混合助 剂能有效降低反应体系的表观活化能提高反应速率。2.3助剂配比对分解速率的影响 助剂的添加量会对钾长石分解反应体系的速率造成影响。这是由于助剂与钾长石颗 粒相互作用时可能会增加或减少钾长石中的晶体缺陷数目从而增加或减少晶体中的 空位浓度进而改变12试验研究IMP化工矿物与加工2011年第1期组员在晶体中的扩 散速率7。另外助剂还可能促进固体表面的烧结使物质的扩散过程易于进行从而加速 反应过程。在钾长石粒度为-75m、反应温度为1073K的条件下对助剂与钾长石质量 比助剂比分别进行实验结果表明反应速率随助剂比的提高而加快见图5。以Y对t作图 基本呈线性关系见图6说明在不同助剂用量下Ginstling-Brundshtein动力学模型适用 于钾长石热分解过程。2.4粒度对分解速率的影响由于不同粒度的固体颗粒具有不同 的比表面积且固体颗粒的粒度越小其比表面积越大因此对于质量相同的颗粒粒度越 小反应速率越快。在助剂配比1.2、焙烧温度1073K时对3种不同粒度的钾长石见图7 分别进行实验得到各粒度下提取率与反应时间的关系见图8。从图8中看出随着粒度 减小热分解反应加快。按照Ginstling-Brundshtein动力学方程线性回归图形基本呈现 直线关系见图9说明在不同粒度下Ginstling-Brundshtein动力学模型能够适用于实验 的反应体系一般来说反应时间越短体系分解率越低时动力学模型的适用程度越好。3 结论对添加氯化钙和氯化钠混合助剂的钾长石体系进行动力学实验结果表明在不同 反应温度下分解反应过程受固膜扩散控制符合Ginstling-Brundshtein动力学方程根据 Arrhenius经验公式求得分解反应表观活化能为58.6kJ/mol比氯化钙体系降低 68.34kJ/mol比氯化钠体系降低22.82kJ/mol表明采用氯化钙和氯化钠作混合助剂能有 效降低反应体系的表观活化能提高反应速率。反应速率随助剂比的提高而加快在不 同助剂用量下Ginstling-Brundshtein动力学模型适用于钾长石热分解过程。反应速率 随粒度的减小而加快在不同的钾长石粒度下Ginstling-Brundshtein动力学模型也能适 用于实验的分解体系反应时间越短体系分解率越低时动力学模型的适用程度越好。 下转第35页13试验研究IMP化工矿物与加工2011年第1期7史文中吴立新李清泉等. 三维空间信息系统模型与算法M.北京:电子工业出版社2007.8陈冰凌王晓鹏.真三维 地质体建模技术及其在煤田地质勘探的应用J.中国煤炭地质200921增刊2:123-126.9 吴立新.真3维地学构模的若干问J.地理信息世界2004023:13-18.10王李管马紫娟荆 永斌等.基于块段模型的复杂地质体三维数值模拟技术J.矿冶工程2008285:1-4.11杨 东来张永波王新春等.地质体三维建模方法与技术指南M.北京:地质出版社 2007175-179.ThreedimensionalmodelingofopenpitbasedonAutoCADanditsapplicationZHAOHaoBAIRuncaiLIUGuangweiWANGJinjinZHAOLiangXIAOYuCollegeofResourceandEnvironmentalEngineeringLiaoningTechnicalUniversityFuxinLiaoning12300ChinaAbstract:TakeanopenpitasacaseAutoCADisusedassoftwareplatformandageologicaldatabaseshouldbeconstructed.Accordingtofaultwireframemodelconstructedbyfaultlinesterrainmodelthroughtopographiccontourmapandstopestatusmapandorerocksolidmodelconstructedthroughboreholedataandinterpolationpointsthreedimensionalvisualdisplayofgeologicalmodelinopenpitcanberealized.Blockmodelisconstructedaccordingtoorerocksolidmodelandthenthea ttributesofblockmodelareaddedandassigned.Quantitiesofminingstrippinginopenpitarecalculatedbyusingblockmodel.Calculationspeedandprecisionareincreasedcomparedwithtraditionalquantitycalculationmethods.Keywords:threedimensionalgeologicalmodelopenpitblockmodelapplication上接第13页4参考文献1胡波.钾长石离子交换基础理论及应用研究 D.合肥工业大学硕士论文2005:1-5.2韩效钊许民才徐超等.钾长石烧结法制钾肥时共 烧结添加剂研究J.非金属矿19975:27-28.3邱龙会王励生金作美.钾长石矿热分解过程 的研究J.高等学校化学学报1998193:345-349.4周亮亮张召述夏举佩等.无机助剂对钾 长石、磷石膏和碳酸钙体系分解温度的影响J.磷肥与复肥2009242:24-25.5石林曾小平 柴妮等.添加剂对KAISi3O8-CaSO4-CaCO3体系反应表观活化能的影响J.岩石矿物学 杂志2010291:90-94.6胡天喜于建国.CaCl2-NaCl混合助剂分解钾长石提取钾的实验 研究J.过程工程学报2010104:701-705.7华一新.冶金过程动力学导论M.北京:冶金工 业出版社2004:312-314.8邱龙会王励生金作美.钾长石-石膏-碳酸钙热分解过程动力 学实验研究J.高校化学工程学报2000143:258-263.9韩效钊胡波陆亚玲等.钾长石与氯 化钠离子交换动力学J.化工学报2006579:2201-2206.10韩其勇.冶金工程动力学M.北 京:冶金工业出版社1983:29-32.11彭清静彭良斌邹晓勇等.氯化钙熔浸钾长石提钾过 程的研究J.高校化学工程学报2003172:185-189.12彭清静邹晓勇黄诚.氯化钠熔浸钾 长石提钾过程J.过程工程学报 200222:146-150.KineticexperimentsondecompositionofKfeldsparwithCaCl2andNaClforextractionofpotassiumHUTianxiYUJianguoStateKeyLaboratoryofChemicalEngineeringEastChinaUniversityofScienceandTechnologyShanghai200237ChinaAbstract:KineticexperimentsondecomposingpotassiumfeldspartoextractpotassiumbycalcinationwiththecompositeadditivemadeofCaCl2andNaClwascarriedout.TheresultsshowedthatthekineticexperimentaldatafittheGinstlingBrundshteinkineticmodelinspiteofthechangeofreactiontemperaturesdosagesofadditiveandparticlesizesofK-feldspar.Inadditiontheapparentactivationenergyofthemixedsystem58.6kJ/molwascalculatedaccordingtotheArrheniusempiricalformulawhichwas68.34kJ/mollowerthanthecalciumchloridesystemand22.82kJ/mollowerthanthesodiumchloridesystem.ItshowedthattheapparentactivationenergyofthereactionsystemwoulddecreaseandthereactionratewouldincreasebyaddingthemixedadditiveofCaCl2andNaCl.Keywords:Kfeldspardecompositionkineticsapparentactivationenergy35技术经验IMP化工矿物与加 工2011年第1期