汉源磷钾矿特性和制复肥反应过程机理的研究

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1、汉源磷钾矿特性与制复肥反应过程机理研究化学工艺专业博士研究生吕莉指导教师张允湘教授氮、磷、钾是农作物生长不可缺少的三大营养要素，我国化肥工业受资源限制，多氮少磷缺钾现象十分严重，极大的制约了我国农业的发展。我国磷矿资源十分丰富，但优质矿少；可溶性钾资源短缺，钾肥供应基本上依赖进口。大力开发我国储量丰富的低品位磷矿及难溶性钾资源是我国化肥工业走可持续发展遵路的必由之路。汉源磷钾矿是我国迄今为止发现的唯一的大型磷钾共生矿，储量大，具有天然的磷钾共生的优良特性，相比于单独提磷或提钾，具有较大的经济优势。经济合理地开发利用这一资源，

2、可以充分发挥我国矿产资源的特点，寻找符合我国国情的化肥生产方法，同时对我国磷钾矿产的综合利用具有重要的借鉴意义。本文对汉源磷钾矿制取复肥提出了新的工艺路线：汉源磷钾矿与硫酸钙和碳酸钙混合添加剂高温烧结提取可溶性钾盐；硫酸酸解焙烧矿，将磷矿酸解和钾盐浸取一步完成；酸解液通氨中和、浓缩、干燥，制取氮磷钾三元复肥。该工艺路线新颖、简洁，流程短，具有一定的可行性。本文按照以上工艺路线对汉源磷钾矿制取氮磷钾三元复肥过程进行了系统、全面而完整的研究，成功制取了氮磷钾三元复肥，产品总养分均符合国家标准规定要求。本文重点研究汉源磷钾矿中钾长

3、石提取可溶性钾盐过程，摸清了高温对钾长石结构影响的规律，探讨了钾长石高温烧结反应过程的反应机理，填补丁钾长石提钾研究的理论空白，为钾长石的开发应用奠定了坚实的理论基础。采用化学分析、x射线衍射、扫描电镜等多种分析方法，对汉源磷钾矿的矿物组成进行了全面分析；对汉源磷钾矿的反应特性及发泡性进行了研究，研究表明：汉源磷钾矿主要由32％氟磷灰石、41％钾长石、15％石英和12％白云石组成，组成复杂、杂质含量高，钾长石开发难度大。反应活性较低，抗阻缓系数大，发泡能力强。利用X射线衍射技术，结合美国分子模拟公司SGI工作站中Cerius

4、2软件包提供的DWBS软件对钾长石的晶体结构进行了模拟与解析，对钾长石晶体结构与性质之间的关系进行了深入分析；通过XRD物相组成的定性分析和晶体结构参数的定量计算对高温焙烧对钾长石结构与性质的影响进行了深入研究，定量的表征了不同温度下钾长石晶体结构的变化与差异。为钾长石烧结温度以及钾长石烧结反应的机理的研究提供了科学指导和理论依据。这不仅对汉源磷钾矿的提钾过程，同时对目前尚不完善和成熟的钾长石提钾过程的研究都具有重要的理论意义。研究表明：钾长石结构复杂，从微斜长石到正长石再到透悔石，晶体结构的有序度降低，稳定性下降，钾长石反

5、应活性加强，K+的活性随之提高，有利于K十的提取。钾长石9001200℃焙烧后钾长石的晶体结构发生转变，由微斜长石转变为正长石再转变为低温透长石，1200℃钾长石熔融转变为非晶态物质，晶体结构消失。不同温度下钾长石晶体结构参数的测定表明：随着温度的增加，钾长石晶体的原子基团均方根位移、微观应变和位错密度增加，微晶尺寸减小，钾长石的结晶度降低，1200℃钾长石由晶态转变为非晶态。以上研究都表明，随着烧结温度增加钾长石晶体结构的有序度降低，稳定性显著下降，反应活性增强，K+的活性提高，有利于迸一步从钾长石中提取出可溶性钾盐。钾长

6、石与石英体系烧结适宜的温度范围在1loo～1200℃之间。在钾长石晶体结构及高温下钾长石结构变化规律研究的基础上，结合X射线衍射、电镜扫描、热重分析等现代测试分析技术，对汉源磷钾矿中钾长石与CaS04·2H20、CaC03以及CaS04·2H20和CaC03混合物高温烧结反应过程进行了深入的研究，对烧结过程的反应机理进行了探讨，提出钾长石与CaS04·2HzO和CaC03混合物高温烧结反应可能的反应机理是CaC03分解生成活性CaO’与钾长石反应生成中间固溶体，并置换出少量K+与S042"生成K2S04，使钾溶出，因此添加C

7、aS04·2H20和CaC03混合试剂能够大大促进钾长石中钾的溶出。II选择汉源磷钾矿添加硫酸钙和碳酸钙混合试裁高温烧结提取可溶性钾盐，对高温烧结反应的工艺条件以及反应动力学进行了研究，得到了最佳工艺条件：汉源磷钾矿与硫酸钙和碳酸钙质量比1；0．6：j．5，焙烧温度1100"C，焙烧时间2小时，钾的转化率可达90％：建立了钾长石高温烧结反应动力学12方程1一三口一《1一a)i=／a'，反应属于扩散控制过程，反应的活化能为j169．48Ⅺ-mo[～，频率因子为4．47×103。对汉源磷钾矿高温焙烧矿的酸解反应的工艺条件以及反应

8、动力学进行了研究，得到了最佳工艺条件为硫酸浓度20％，反应温度为80"C，搅拌转速为200转／分钟，反应时间1小时，磷、钾萃取率分别可达95％和90％：建立了1．动力学方程三In—L一口兰=k，反应的活化能为29．26KJ·too!～，频率因子为，l一口f306．8。按照湿法磷酸生产过程对