一、发现小史:
钾是从草木灰中提取的,所以命名为Potassium。1870年英国化学家戴维(H.Davy)用电解氢氧化钾的方法制取金属钾。把钾投入水中会在水面上急速奔驰,发出丝丝的声音,而且出现淡紫色的火焰。
二、钾的性质:
钾的化学性质比钠更活泼,在空气中猛烈燃烧,生成淡黄色的超氧化钾(KO2);遇水放出氢气并爆炸。钾同卤素反应激烈,同液体溴接触会爆炸炸,同许多卤素有机化合物作用,也会发生爆炸反应。钾同——氧化碳在600C时就能生成爆炸性的羰基化合物[K6(CO) 6],但同氮不反应。液氨是钾的良好溶剂,钾也溶于乙二胺、苯胺和贡中。钾的还原性极强,能使多种金属化合物还原成金属。
钾的物理性质见:表-1
表-1 钾的主要物理性质
密度(200C) 0.86 g/cm3
熔点 63.2 0C
沸点 759 0C
平均比热(0~1000C) 754 J/(kg·K)
熔化热 2.34 kJ/mol
消化热 79.5 kJ/mol
热导率(固) 104 W/(m·K)
电阻率(200C) 6.8 μΩ·cm
三、钾的资源:
含钾的矿物很多,具有工业价值的主要有钾盐(KCl),其中常含有氮、碳酸气等包裹体,NaCl、Fe2O3等机械混入物以及KBr、RbCl、CsCl等类质同象混入物。其他矿物有:
光卤石 KCl·MgCl2·6H20
含 KCl 26.7%;MgCl2 34.5%
钾盐镁矾 KCl·MgSO4·3H20
含 KCl 30%; MgO 16.19%
杂卤石 K2SO4·MgSO4·2CaSO4·2 H20
含 K2O 15.20%; MgO 6.69%
钾镁矾 K2SO4·MgSO4·4H20
含 K2O 25.69%; MgO 10.99%
无水钾镁矾 K2SO4·2MgSO4
含 K2O 22.70%; MgO 10.99%
软钾镁矾 K2SO4·MgSO4·6H20
含 K2O 23.39%; MgO 10.01%
我国钾盐矿床主要包括青海察尔汗现代盐湖家宴矿床、云南江城勐野井钾盐矿、四川自贡邓井关地下卤水钾盐矿。
1、盐湖型钾盐矿(露天开采):
该盐矿一般工业指标见表-2。典型的矿床有青海柴达木察尔汗盐湖钾镁盐矿,具体工业指标如下:
表-2 盐矿一般工业指标
项 目 氯化钾(KCl) 伴生钾盐
固体矿 卤 水
边界品位(%) 2 0.5
工业品位(%) 6 1
品级划分 富矿(%) ≥12 / 岩盐中伴生KCl≥0.5%,
贫矿(%) 6~12 / 可计算伴生钾盐储量
可采厚度 (m) 富矿 0.3 /
贫矿 0.5 /
夹石剔除厚度(m) 0.5 /
(1)液体卤水钾矿:
边界品位:KCl 0.5%
最低工业品位:KCl 1%
密度指标不予考虑,但应进行测定。
品级划分:a级 KCl ≥1%
b级 KCl 0.5%~1%
c级 KCl <0.5%
伴生元素工业指标按实有含量计算储量。
(2)固体钾盐:
边界品位:KCl 2%
最低工业品位:KCl 6%
夹石剔除厚度:0.5%
最低可采厚度:露采——厚度不做要求
坑采——富矿0.3m;贫矿0.5m
矿石工业品级:富矿KCl ≥12%;贫矿KCl 6%~12%
2、云南江城勐野井钾盐矿(坑道开采):
该盐矿是一古钾盐矿床,其一般工业指标为:
边界品位:KCl 3%
最低工业品位:KCl 6%
可采厚度:0.5m
夹石剔除厚度:0.5m
岩盐中含KCl0.5%时,做伴生钾计算储量。
钾盐矿床常与岩盐、镁盐、芒硝、石膏等伴(共)生,并常伴生有硼、锂、碘、溴、铯等元素,要注意综合评价。
世界钾盐探明总储量170亿吨,前苏联、加拿大、德国、以色列、约旦最多,占总储量的97%。1998年前后世界产K2O3000万吨。我国是钾盐资源贫乏国家,总储量为3.96亿吨,2000年统计全国钾盐总计年产量8万吨,其中制盐母液生产3万吨,盐湖卤水生产5万吨;进口钾肥量为200万吨。
四、钾的制备:
钾在熔盐中的溶解度很大,易渗透和侵蚀石墨阳极,同氧和一氧化碳生成爆炸性的超氧化钾和羰基钾,所以不能用电解法制取钾。工业上用钠置换法制取钾。Na+KCl K+NaCl因为钾沸点比钠低,若将钾不断从体系中分离出去,就能不断地产生钾蒸气,具体又分间歇法和连续法两种:
1、间歇法:
先将原料氯化钾破碎成小于30毫米的颗粒,在干燥炉内于200~2500C烘干至含水小于0.1%。干燥后的氯化钾和钠块加入密闭反应釜内,通氮气置换釜内的空气后,抽真空至残压100托左右,加热到680~7200C。反应产生的钾蒸气上升到塔顶的冷凝器中:一部分冷凝成液体,作为回流液返回精馏柱;另一部分经支管流出冷凝,收集于储罐中。得到的金属钾纯度在98%以上,总回收率以KCl计约为70%左右,反应完成后,蒸馏出残留的少量钠钾合金,可作为原料返回使用,残渣(Na—KCl)熔融排出。采用不同的加料配比,可制得不同组成的钾钠合金。
2、连续法
连续法提钾工艺主要过程在不锈钢塔内进行。塔的上部为精馏区,下部为反应区,内充不锈钢环。从塔的底部导入液体钠,经反应塔旁的叉管加热并汽化后,沿反应塔上升。熔融的氯化钾由塔中部加入,与上升的钠蒸气反应生成钾钠合金。经过精馏区分离,钾蒸气冷凝成液体,部分返回作回流液,部分取出为成品。反应物氯化钠通过塔底不断排出,为保证操作安全,体系在氮气正压下操作。连续法的缺点是设备腐蚀严重。
工业金属钾的纯度为96%以上,经真空蒸馏,可制得99.99%以上的高纯钾;其中含氧10~50ppm、碳10~50ppm、钠10~50ppm。高纯钾一般要保持在充氩气的密闭容器中。
五、钾的用途:
主要用于制钾肥,部分用于化工原料。在加工中还可综合回收氯及其衍生物、镁化合物、工业用盐以及碘、溴、硼、锂、铯、铷等。钾肥是农业三大肥料之一,对粮食及其他作物的增产有重要的作用,适用于粮食作物及棉花等。硫酸钾适于麻类、菸草、甘蔗、甜菜、柑类水果等。其次还有钾镁硫酸盐肥料,适于土豆等。
化工用钾盐主要为氯化钾(KCl),为制作其他钾化合物的原料。各种钾的化合物用于火柴、焰火、黑色炸药、医药、农药、纺织、染料、制革、电子管、制皂、印刷、玻璃、陶瓷、电池、照相等工业部门;此外,也用于航空汽油及钢铁、铝合金的热处理。
广泛用作潜艇以及宇宙飞船中的供养源,制取钾比制取钠困难的多,所以它的价值通常为钠的10倍左右。20世纪70年代末,世界生产钾数百吨,价格约为5美金/Kg,每千克KO2吸收二氧化碳和水后能释放出336.6升氧气。制造KO2是金属钾的主要用途。
钾钠合金(Na-K)可作传热介质,在原子反应堆中用作热载体。惰性气体经Na-K清除不纯物质后,氧和水的含量均可小于1 ppm。钾也可在磁流体发电中作燃料添加剂,以提高高温气体的导电性。