一种钠钾硫氯四元体系分离硫酸钾的方法与流程

本发明属于分离领域，涉及一种钠钾硫氯四元体系分离硫酸钾的方法，主要涉及一种从含有na⁺和k⁺的氯-硫酸根混合液中分离钾盐的方法，具体涉及一种na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法。

背景技术

工业上经常有一些含有na⁺和k⁺的氯-硫酸根混合液，特别是其中nacl的含量高于k2so4，这样的溶液急需回收其中的有价资源，特别是钾盐。如何把其中具有较高价值的硫酸钾分离出来，传统的方法是加入cacl2，使其中的硫酸根以caso4的形式沉淀出，将溶液转化为nacl和kcl的混合溶液，进一步的nacl和kcl的分离，一般采用蒸发浓缩、多次重结晶的办法，由于nacl和kcl的溶解度都比较大，存在能耗大，产品caso4没有出口的问题。

cn107188201a公开了一种分离系统及钠盐和钾盐分离方法，涉及高盐废水处理领域。所述分离系统包括依次相连的结晶分离设备、保温沉降设备、冷却结晶设备和离心设备；所述保温沉降设备设有入料口、第一出料口和第二出料口，所述入料口和所述第一出料口均与所述结晶分离设备相连，所述第二出料口与所述冷却结晶设备相连。该分离系统能够将溶液中的钠盐和钾盐析出，并得到相互分离的钠盐晶体和钾盐晶体。所述钠盐和钾盐分离方法采用了上述分离系统对含有钠盐和钾盐的废水进行处理，能够得到相互分离的钠盐晶体和钾盐晶体。

cn106865577a公开了一种硫酸钾中去除钠离子的方法，具体步骤为：(1)室温下采用去离子水对硫酸钾进行浸泡，浸泡时间6-8小时；(2)离心出硫酸钾固体，即可一次性除去硫酸钾中的钠离子；所述方法可一次性除去硫酸钾中的钠离子，满足试剂级硫酸钾指标，不需要重结晶，能耗低，方法简单，操作方便，具有广泛的应用前景。

cn1042917c硫酸钠法制取硫酸钾的方法，是将氯化钾和硫酸钠及二段转化母液和清水投入一段转化反应器，反应完全后，料浆经分离得钾芒硝和母液，将母液转入脱硝罐并加入氯化钙，反应完全后，经分离、蒸发、再分离得副产品氯化钠，其母液再经冷却结晶、分离回收氯化钾，将钾芒硝、氯化钾和清水投入二段转化反应器，反应完全后，料浆经分离即得产品硫酸钾。本发明工艺简单，投资低，产品硫酸钾含k2o≥50％,含cl^-<1.5％，副产品氯化钠含nacl≥95.5％，kcl回收率≥95％。

cn104925835a公开了一种芒硝法制取硫酸钾的工艺，包括以下步骤：(1)一段转化：将无水芒硝和氯化钾与水和/或含硫酸钾的母液配料转化，固液分离得钾芒硝和一段转化母液；(2)一段蒸发：将一段转化母液一段蒸发后固液分离，得氯化钠高温盐和一段蒸发母液；(3)二段蒸发：将一段蒸发母液二段蒸发后固液分离，得钾芒硝/氯化钠高温混合盐和二段蒸发母液；(4)物理分选混合盐得钾芒硝和氯化钠；(5)二段转化：将钾芒硝与氯化钾和水或含硫酸钾的母液配料转化，固液分离得硫酸钾粗产品和二段转化母液；(6)洗涤、干燥得硫酸钾产品。该发明产品分离纯度高，母液量小，能耗及成本低，所得硫酸钾产品中k2o含量达51.3％，符合农业用硫酸钾标准。

因此，提供一种低能耗分离含钠和钾的氯-硫酸根混合液，且有效回收有价资源，得到高纯度硫酸钾的方法，在分离领域具有重要的意义和广阔的市场前景。

技术实现要素：

针对现有技术的不足及实际的需求，本发明提供一种na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法，通过添加硫酸的方式将体系转换为硫酸钠和硫酸钾的混合液，并特异性选择蒸发结晶的参数，通过保温沉降、固液分离等手段实现硫酸钠和硫酸钾的分离，步骤简洁，回收得到的硫酸钾纯度较高，有效回收了废液中的有价资源。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

第一方面，本发明提供na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

(1)向混合体系中加入硫酸，气液分离，冷凝回收稀盐酸；

(2)向步骤(1)所得混合溶液加入中和剂，调节ph；

(3)将步骤(2)所得混合溶液进行浓缩；

(4)将步骤(3)所得浓缩液进行蒸发结晶，过滤分离，回收硫酸钾晶体。

优选地，步骤(1)所述硫酸为浓硫酸。

本发明中，选择浓硫酸将na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系转变为硫酸钠和硫酸钾的混合物，同时体系内的氯根全部转换为盐酸，采用现有的含盐酸、硫酸的加热蒸发器进行气液分离，蒸发出的气体包括水蒸气和hcl气体，通过冷凝器冷凝后形成稀盐酸。硫酸稍过量以保证氯根全部转换为盐酸，再向所得溶液中添加中和剂，中和过量的硫酸，调节ph至7-8，根据混合溶液中硫酸钠和硫酸钾的浓度以及溶解度差异，特异性选择蒸发结晶的参数，确定最优方案，分离回收硫酸钾和硫酸钠晶体，通过本发明提供的方法分离得到的硫酸钾晶体纯度高于传统方法，且降低分离需要的能耗，简便经济。

优选地，步骤(1)所述气液分离方式为加热蒸发。

本发明中，采用加热蒸发方式能够提高h⁺与cl^-结合，进而加快转变为氯化氢气体的速率，能够降低反应时间，提高转化效率。

优选地，步骤(2)之前还包括将步骤(1)所得硫酸钠-硫酸钾混合液蒸发至ph1-5。

所述ph1-5例如可以是ph1、ph2、ph3、ph4或ph5。

本发明中，加入硫酸后混合体系变为na⁺和k⁺的h2so4和hcl的混合体系，冷凝回流盐酸后，将剩余液体混合体系蒸发至ph1-5再加入中和剂有利于彻底中和硫酸氢盐和多余的硫酸，避免硫酸氢盐对结晶的影响，提高产物纯度。

优选地，步骤(2)所述中和剂为固体。

优选地，所述中和剂为碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠或氢氧化钾中的任一种或至少两种的组合，例如可以是碳酸钾与碳酸钠的组合，碳酸钾与氢氧化钾的组合，碳酸钠与氢氧化钾的组合，或碳酸钠、氢氧化钾与氢氧化钠的组合，优选为碳酸钠。

优选地，步骤(2)所述ph的值为7-8，如7.2、7.4、7.6或7.8。

本发明中，选用碳酸钠、碳酸钾、氢氧化钠或氢氧化钾作为中和剂，可以在保证溶液中不引入其他离子的情况下消耗溶液中过多的h⁺；选用固体作为中和剂能够降低后期蒸发结晶所消耗的热量，从而达到实现节能降耗的效果。

优选地，步骤(2)所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度，或所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度不大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度且硫酸钠的质量浓度不大于硫酸钠在-5-5℃下对应的溶解度。

本发明中，添加硫酸后体系转变为硫酸钠和硫酸钾的混合体系，根据此时体系中硫酸钾和硫酸钠的质量浓度，综合考虑-5-5℃二者的溶解度，选定-5-5℃中的任意一个温度作为温度基础，使得体系满足硫酸钾的质量浓度大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度，或所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度不大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度且硫酸钠的质量浓度不大于硫酸钠在-5-5℃下对应的溶解度，例如混合体系中硫酸钾质量浓度为62.3g/l，硫酸钠的质量浓度为47.8g/l，而0℃下硫酸钠的溶解度为4.9g，硫酸钾的溶解度为7.4g，实验操作过程中溶液的体积近似纯水的体积，故100g水近似100ml，则0℃下硫酸钾的饱和质量浓度为74g/l，硫酸钠的饱和质量浓度为49g/l，则可以选定0℃作为温度基础。根据待分离的混合液中硫酸钠和硫酸钾的质量浓度，选定-5-5℃作为温度基础。

优选地，步骤(3)所述浓缩的温度为30-60℃，例如可以是30℃、40℃、50℃或60℃，优选为40-50℃，进一步优选为40℃。

优选地，所述浓缩为浓缩至硫酸钠恰好饱和不析出。

优选地，步骤(4)所述蒸发结晶为恒温蒸发结晶。

优选地，所述恒温蒸发结晶的温度与步骤(3)所述浓缩温度相同。

本发明中，浓缩温度低会使得浓缩速度慢，浓缩时间增长，不利于提高浓缩效率，浓缩温度过高会使得浓缩速度过快，硫酸钾晶体析出速度变快，不能够得到良好的晶型，造成产品质量的降低。因此，在本发明所述浓缩温度范围内，既可以保证浓缩的效率，又能够得到满足工艺要求的硫酸钾晶体。

优选地，步骤(4)所述蒸发结晶的时间为30-80min，例如可以是30min、35min、40min、45min、50min、55min、65min、75min或80min，优选为35-55min。

本发明中，蒸发结晶时间过短不能有效析出硫酸钾晶体，蒸发结晶时间过长耗能增加，得不偿失，因此，在本发明所述结晶时间范围内既可以让硫酸钾晶体尽量多的析出，又能将结晶能耗降到最低。

优选地，所述方法具体包括如下步骤：

(1)向na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-混合体系中加入浓硫酸，使体系中的氯根全部转换成盐酸，通过盐酸、硫酸加热器蒸发方案，在蒸发器内进行气液分离，蒸发出的气体包括水蒸气和hcl气体，通过冷凝器冷凝后形成稀盐酸，回收稀盐酸；

(2)向步骤(1)所得混合溶液加入碳酸钠和/或碳酸钾，中和过量的少许硫酸，调节混合液的ph值至7-8，所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度，或所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度不大于硫酸钾在-5-5℃下对应的溶解度且硫酸钠的质量浓度不大于硫酸钠在-5-5℃下对应的溶解度；

(3)将步骤(2)所得滤液进行浓缩，浓缩温度为30-60℃，浓缩至硫酸钠恰好饱和不析出；

(4)将步骤(3)所得浓缩液进行恒温蒸发结晶，结晶温度与步骤(3)所述浓缩温度相同，过滤分离，回收硫酸钾晶体；

(5)可选择地将步骤(4)结晶分离后的滤液稀释，进行循环结晶分离。

作为本发明优选技术方案，从na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法具体包括如下步骤：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，得到分离盐酸的混合液，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入碳酸钠固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为7时停止加入碳酸钠固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)分别测定步骤(3)所得混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度大于硫酸钾在0℃下对应的溶解度，或所得混合溶液中硫酸钾的质量浓度不大于硫酸钾在0℃下对应的溶解度且硫酸钠的质量浓度不大于硫酸钠在0℃下对应的溶解度；

(5)加热步骤(4)所得母液至40℃并保持温度恒定，对母液进行浓缩处理，当母液中的硫酸钠恰好饱和不析出时停止浓缩并保持温度恒定，得到浓缩后的母液；

(6)对步骤(5)所得浓缩后的母液进行恒温蒸发结晶，恒温蒸发结晶温度为40℃，恒温蒸发结晶的时间为55min，40℃下固液分离，得到硫酸钾晶体。

本发明中，将0℃作为温度基础，判断待分离的混合体系中硫酸钾和硫酸钠的质量浓度，40℃为恒温蒸发结晶的温度，有效针对混合液中硫酸钠的质量浓度不大于0℃下的对应的溶解度，硫酸钾的质量浓度不大于0℃下的对应的溶解度的情况，分离出混合液中的有价资源硫酸钾，便捷地控制蒸发结晶时浓缩的体积，质量可控，相较于其他温度点，硫酸钾回收率高，纯度好。需要注意的是，硫酸钾质量浓度小于0℃对应的溶解度，且硫酸钠质量浓度大于0℃对应的溶解度时，不能采用本发明提供的方案进行分离。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明通过加硫酸的方式使混合体系变为硫酸钠和硫酸钾的混合溶液，然后添加适量中和剂，中和少许过量的硫酸，防止硫酸氢钠的产生，提高分离得到的硫酸钾纯度达到95％；

(2)本发明提供的分离方法简单快捷，将混合体系转变为硫酸钠和硫酸钾的混合溶液，替代传统分离方法中将混合体系转变为氯化钠和氯化钾的混合溶液，克服传统分离方法中硫酸钙产品没有出口的问题，降低分离能耗，有效分离回收有价资源，特别是钾盐，回收率达79.06％。

附图说明

图1为本发明实施例1中na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的工艺流程图。

具体实施方式

为更进一步阐述本发明所采取的技术手段及其效果，以下通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案，但本发明并非局限在实施例范围内。

实施例1

采用本发明所述的na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的操作步骤如下：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入碳酸钠固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为7时停止加入碳酸钠固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)设定步骤(3)所得混合液体积为100ml，分别测定混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度为87.4g/l，硫酸钠的质量浓度为58.6g/l，符合硫酸钾的质量浓度大于0℃下对应的溶解度(7.4g)，硫酸钠的质量浓度不限；

(6)根据40℃时硫酸钾和硫酸钠的对应溶解度分别为14.8g和48.8g，计算出使硫酸钠恰饱和不析出的体积应为12ml，考虑到硫酸钾以k2so4·7h2o形式析出带走的结晶水，再补偿5ml水，将补偿水后的母液蒸发至17ml并在40℃下结晶，过滤分离，母液洗涤晶体，晶体冷冻干燥24h得无水硫酸钾6.91g，纯度95％。

实施例2

采用本发明所述的na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的操作步骤如下：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入碳酸钾固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为7.2时停止加入碳酸钾固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)设定步骤(3)所得混合液体积为100ml，分别测定混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度为68.5g/l，硫酸钠的质量浓度为90.6g/l，符合硫酸钾的质量浓度小于5℃下对应的溶解度，硫酸钠的质量浓度小于5℃下对应的溶解度；

(5)根据50℃时硫酸钾和硫酸钠的对应溶解度分别为16.5g和45.3g，计算出使硫酸钠恰饱和不析出的体积应为20ml，考虑到硫酸钾以k2so4·7h2o形式析出带走的结晶水，再补偿3ml水，将补偿水后的母液蒸发至23ml并在50℃下结晶，过滤分离，母液洗涤晶体，晶体冷冻干燥24h得无水硫酸钾3.55g，纯度84％。

实施例3

采用本发明所述的na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的操作步骤如下：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入氢氧化钾固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为7.5时停止加入碳酸钠固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)设定步骤(3)所得混合液体积为100ml，分别测定混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度为70g/l，硫酸钠的质量浓度为40g/l，符合硫酸钾的质量浓度小于-5℃下对应的溶解度，硫酸钠的质量浓度小于-5℃下对应的溶解度；

(5)根据60℃时硫酸钾和硫酸钠的对应溶解度分别为18.2g和45.3g，计算出使硫酸钠恰饱和不析出的体积应为10ml，考虑到硫酸钾以k2so4·7h2o形式析出带走的结晶水，再补偿5ml水，将补偿水后的母液蒸发至15ml并在60℃下结晶，过滤分离，母液洗涤晶体，晶体冷冻干燥24h得无水硫酸钾4.86g，纯度大于81％。

实施例4

采用本发明所述的na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的操作步骤如下：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入氢氧化钠固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为8时停止加入氢氧化钠固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)设定步骤(3)所得混合液体积为100ml，分别测定混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度为80g/l，硫酸钠的质量浓度为50g/l，符合硫酸钾的质量浓度大于0℃下对应的溶解度(7.4g)；

(5)根据30℃时硫酸钾和硫酸钠的对应溶解度分别为13g和40.8g，计算出使硫酸钠恰饱和不析出的体积应为13ml，考虑到硫酸钾以k2so4·7h2o形式析出带走的结晶水，再补偿5ml水，将补偿水后的母液蒸发至18ml并在30℃下结晶，过滤分离，母液洗涤晶体，晶体冷冻干燥24h得无水硫酸钾5.12g，纯度79％。

实施例5

采用本发明所述的na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系分离硫酸钾的方法的操作步骤如下：

(1)测定四元体系中cl^-的浓度，加入过量浓硫酸，使体系中的cl^-全部转化为hcl；

(2)蒸发器内蒸发加热步骤(1)所得溶液，并进行气液分离，冷凝蒸发出的气体能得到可回收的稀盐酸；

(3)缓慢地向溶液(2)所得混合液中加入氢氧化钾固体，使用ph计检测混合液的ph值，当混合液ph为7.5时停止加入碳酸钠固体，得到中和硫酸后的混合液；

(4)设定步骤(3)所得混合液体积为100ml，分别测定混合液中硫酸钠的质量浓度与硫酸钾的质量浓度，硫酸钾的质量浓度为62.3g/l，硫酸钠的质量浓度为47.8g/l，符合硫酸钾的质量浓度小于0℃下对应的溶解度(7.4g)，硫酸钠的质量浓度小于0℃下对应的溶解度(4.9g)；

(5)根据40℃时硫酸钾和硫酸钠的对应溶解度分别为14.8g和48.8g，计算出使硫酸钠恰饱和不析出的体积应为10ml，考虑到硫酸钾以k2so4·7h2o形式析出带走的结晶水，再补偿3.5ml水，将补偿水后的母液蒸发至13.5ml并在40℃下结晶，过滤分离，母液洗涤晶体，晶体冷冻干燥24h得无水硫酸钾4.7g，纯度大于93％。

实施例6

与实施例1相比，除了恒温蒸发结晶的温度为70℃之外，其他条件同实施例1。

对比例1

与实施例1相比，除了不添加硫酸之外，其他条件同实施例1。

对比例2

与实施例1相比，除了不进行步骤(2)之外，其他条件同实施例1。

采用上述实施例1-7与对比例1-3在na⁺、k⁺、so4^2-、cl^-四元体系种分离硫酸钾的结果如下表1所示：

表1分离得到的硫酸钾的回收率和纯度

由表1可知，比较实施例1与实施例6可知，混合溶液中硫酸钾的质量浓度大于硫酸钾在0℃下对应的溶解度时，当恒温蒸发结晶的温度高于60℃时，硫酸钾的纯度显著下降，不利于资源再利用；比较实施例1与对比例1可知，不添加硫酸，分离出的硫酸钾量少，且纯度低；比较实施例1与对比例2可知，不添加中和剂对混合溶液进行中和，硫酸钾和硫酸钠的回收率降低，且回收得到的硫酸盐中参杂着硫酸氢盐，纯度显著降低。

综上，本发明通过加硫酸的方式使混合体系变为硫酸钠和硫酸钾的混合溶液，然后添加适量中和剂，中和少许过量的硫酸，防止硫酸氢钠的产生，提高分离得到的硫酸钾纯度达到95％，分离方法简单快捷，将混合体系转变为硫酸钠和硫酸钾的混合溶液，替代传统分离方法中将混合体系转变为氯化钠和氯化钾的混合溶液，克服传统分离方法中硫酸钙产品没有出口的问题，降低分离能耗，有效分离回收有价资源，特别是钾盐，回收率达79％。

申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。