碳酸钾的制备及应用

背景及概述^[1]

碳酸钾也称为钾碱、碱砂，不纯物称草碱、珠灰等。无色结晶或白色颗粒。由于碳酸根水解其水溶液呈碱性，不溶于乙醇、乙醚。有潮解性。碳酸钾的热稳定性很高，在1000℃时也不分解。将其饱和水溶液冷却可析出玻璃状的晶体水合物 K₂CO₃·3H2O，相对密度为2.043，100℃时失结晶水，遇酸时分解放出二氧化碳。碳酸钾主要用于玻璃工业，还可用做分析试剂、助熔剂、钾肥，以及制备其他钾的化合物的原料。碳酸钾是一种重要的无机化工基础原料，主要用于生产玻璃、电焊条、还原染料的印染及冰染的拔白、氮肥工业脱硫、工业气体脱除硫化氢及二氧化碳、灭火剂，还在油墨、炸药、电镀、制革、医药、陶瓷、建材、水晶等工业领域有重要的用途。工业上多采用在氢氧化钾溶液中通入二氧化碳的方法制备碳酸钾。

制备^[2]

已报道的碳酸钾生产工艺主要有草木灰法、路布兰法、有机胺法、恩格尔盐法、镍氨络合物法、离子交换法和离子膜-流化床法。其中，草木灰法和路布兰法已经淘汰，有机胺法、恩格尔盐法和镍氨络合物法还处于研究开发阶段，技术成熟度远远不够。目前，国内外工业上生产碳酸钾的方法主要是离子交换法和离子膜-流化床法两种。在当前市场行情下，采用这两种方法生产碳酸钾，原料氯化钾的价格占碳酸钾总成本的50%以上。因此，碳酸钾工业的发展完全受制于上游氯化钾市场。寻找廉价的含钾资源生产碳酸钾，对于整个碳酸钾行业和延伸下游行业的可持续发展具有重要意义。以钾长石为代表的不溶性钾资源储量极其丰富、分布非常广泛，一直以来被认为是生产钾盐最重要的廉价替代原料。以不溶性钾资源为原料生产碳酸钾的工艺方法国内外时有报道，主要有酸法、纯碱烧结法和石灰石烧结法三种。

石灰石烧结法是前苏联利用霞石原料综合生产氧化铝、碳酸钠、碳酸钾和水泥采用的工艺方法，该方法是国内外开发利用不溶性钾资源唯一实现工业化的技术。该方法的工艺过程是，矿石原料和配料石灰石在高温下烧结，生成主要物相为原硅酸钙和铝酸钠（钾）的熟料；用稀氢氧化钠溶液溶出熟料中的铝酸钠（钾），原硅酸钙作为滤渣分离用于生产水泥；铝酸钠（钾）溶液通入CO2酸化，沉淀出氢氧化铝制取氧化铝；碳酸钠（钾）溶液通过蒸发浓缩，依次结晶出碳酸钠和碳酸钾，碳酸钾的纯度最高可达到98.5%。

CN201210557765.6提供一种采用钾长石粉制备碳酸钾的方法，包括以下步骤：

（1）化学选矿：将钾长石粉与碱母液按1kg:1.5~7.5L的比例混合制成原矿浆，原矿浆在200~300℃温度下反应5~240min，降温后得到料浆，过滤，制得脱硅液和脱硅精矿；向脱硅液中加入石灰乳，在70~90℃温度下苛化反应2h，过滤、洗涤得到的滤液经蒸发浓缩至预定浓度后，即可作为碱母液循环使用；

所述碱母液为含KOH和NaOH的混合液；

（2）配料烧结：脱硅精矿和石灰石按1kg:0.5~2kg比例混合磨制生料，生料在1200~1350℃温度下反应30~180min，冷却后得到烧结熟料；

（3）熟料溶出：烧结熟料经破碎、磨细得到烧结熟料粉，熟料粉与溶出液按1kg:2~5L的比例混合，在60~95℃温度下反应15~120min，反应结束后过滤，分别得到溶出粗液和硅钙渣，硅钙渣可作为生产水泥和新型建筑材料的原材料；

所述溶出液为KOH和K₂CO₃的混合液；

（4）碳分分解：向溶出粗液中通入酸化气CO₂，反应过程中设计取样点监测溶液的pH值变化，每隔30min监测溶液的pH值变化，待溶液pH值小于10开始，每隔15min取一次样，过滤沉淀后检测溶液中Al₂O₃和SiO2的含量；当溶液中Al₂O₃和SiO₂的含量之和小于5g/L时结束反应，然后过滤得到碳酸钾粗液和氢氧化铝；氢氧化铝可生产耐火材料或进入拜尔法生产氧化铝系统生产冶金级氧化铝；所述酸化气是指CO₂浓度大于10%的气体；

（5）制取碳酸钾：将碳酸钾粗液一次蒸发浓缩后送至一次碳酸化塔，加入高锰酸钾溶液，通入酸化气进行一次碳酸化使杂质沉淀，过滤，得到碳酸钾精制液；碳酸钾精制液经二次蒸发浓缩后送至二次碳酸化塔中，通入酸化气进行二次碳酸化使碳酸氢钾从溶液中结晶析出，离心分离，得到的碳酸氢钾晶体在270～300℃下煅烧，即得到产品碳酸钾。

应用 ^[3]

稀土配合物，作为一种发光材料，由于具有发射峰窄、量子效率高、发射峰位不随配体的变化而移动的特点而被广泛应用在发光显示、荧光探针、防伪等领域。CN201510358890.8以特定粒径的碳酸钾为核材料，将稀土配合物作为壳层材料包覆于碳酸钾表面形成核壳型荧光材料，所述核壳型荧光材料中不存在第二配体，其荧光发射性能优异，同时，以价廉的碳酸钾作为核材料也降低了荧光材料的成本，在制备所述核壳型复合发光材料时，体系中用常规方法难以沉淀的稀土二元配合物程度地包覆于纳米碳酸钾表面，有效地使其沉淀出来，从而完成了本发明。制备方法包括以下步骤：

(1)将碳酸钾粉碎，得到纳米碳酸钾；

(2)将步骤1得到的纳米碳酸钾加入到极性有机溶剂中，分散；

(3)加入稀土盐和配体，搅拌下反应；

(4)过滤，任选地进行干燥，得到碳酸钾基荧光材料。

主要参考资料

[1] 中国中学教学百科全书·化学卷

[2] CN201210557765.6 一种采用钾长石粉制备碳酸钾的方法

[3] CN201510358890.8 一种碳酸钾基荧光材料及其制备方法