CC BY
53
НЕОРГАНИЧЕСКАЯ ХИМИЯ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ ГИДРОКАРБОНАТА КАЛИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ДИЭТИЛАМИНА
Бобокулов Акбар Носирович
старший преподаватель Ташкентского химико-технологического института 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, улица Навои, 32
E-mail: kafedranmkt@mail. ru
Эркаев Актам Улашевич
профессор Ташкентского химико-технологического института 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, улица Навои, 32
Тоиров Зокир Каландарович
доцент Ташкентского химико-технологического института 100011, Республика Узбекистан, г. Ташкент, улица Навои, 32
OBTAINING PROCESS RESEARCH OF POTASSIUM HYDROGENCARBONATE
USING DIETHYLAMINE
Akbar Bobokulov
lecturer of Tashkent Chemical Technology Institute 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st.,32
Aktam Erkayev
professor of Tashkent Chemical Technology Institute 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st.,32
Zokir Toirov
assistant professor of Tashkent Chemical Technology Institute 100011, Republic of Uzbekistan, Tashkent, Navoi st.,32
АННОТАЦИЯ
Проведено исследование получения гидрокарбоната калия аминным способом, заключающееся в карбонизации растворов хлорида калия и диэтиламина с образованием суспензии, при охлаждении которой выпадают кристаллы гидрокарбоната калия. Установлены оптимальные параметры процесса: ДР=2-4 кПа, температура - 800С, продолжительность - 45 мин., мольное соотношение KCl: диэтиламин = 1:1. Получен продукт с содержанием основного вещества и выходом продукта не менее 95% и 95,6% соответственно. Изучены химический и минералогический состав, реологические свойства промежуточных растворов и суспензий в зависимости от технологических факторов.
ABSTRACT
Research of obtaining potassium hydrogencarbonate is conducted by the amine method consisting in carbonization of solutions of potassium chloride and diethylamine to form a suspension under the cooling of which crystals of potassium hydrogencarbonate precipitate. The optimal process parameters have been established: ДР = 2-4 kPa, temperature - 800С, duration - 45 min, molar ratio KCl: diethylamine = 1: 1. A product with the main substance content and a product yield of not less than 95% and 95,6%, respectively, has been obtained. The chemical and mineralogical composition, rheolog-ical properties of intermediate solutions and suspensions are studied depending on technological factors.
Ключевые слова: гидрокарбонат калия, хлорид калия, диэтиламин, карбонизация.
Keywords: potassium hydrogencarbonate; potassium chloride; diethylamine; carbonization.
Библиографическое описание: Бобокулов А.Н., Эркаев А.У., Тоиров З.К. Исследование процесса получения гидрокарбоната калия с применением диэтиламина // Universum: Химия и биология: электрон. научн. журн. 2017. № 10(40). URL: http://7universum. com/ru/nature/archive/item/5168
№ 10 (40)
Карбонат калия (K2CO3) используется в производстве стекла, некоторых солей, фармацевтических препаратов и строительстве в качестве морозозащит-ной добавки.
Перспективы применения K2CO3, в особенности как бесхлорного калийного минерального удобрения, создают определенные условия организации его производства в Узбекистане. В настоящее время в Узбекистане отсутствует производство К2СО3, который, как правило, закупается в странах СНГ. В то же время в Узбекистане имеются разведанные достаточные запасы калийсодержащего сырья, который по технологическим, экономическим и, что особенно важно, рациональным уровням использования даст возможность получить собственный карбонат калия для обеспечения внутреннего и внешнего рынков потребления [5; 1]. Значительные запасы сильвинито-вых руд, которые имеет Узбекистан на месторождении Тюбегатана, являются основанием для проведения научных и технологических исследований в области получения карбоната калия из хлорида калия.
Все существующие промышленные способы производства карбоната калия можно разделить на две группы. Первая группа схем основана на получении гидрокарбоната калия (KHCO3), подобно аммиачному способу [6; 7, с. 357] получения соды, и на карбонизации хлорида калия (КС1) в присутствии различных алифатических аминов и их солей [9, с. 95; 10, с. 294].
Ко второй группе относится способ, который заключается в карбонизации электролитических щелочей, полученных электродиализом гидроксида калия (КОН) с последующей его карбонизацией в гидрокарбонат калия [10, с. 293]. Следует отметить, что при реализации указанной схемы могут возникнуть трудности, обусловленные проблемой использования хлора, который образуется по данной технологии. Производство гидроксида калия путем электролиза хлорида калия требует значительных затрат электроэнергии, а также характеризуется прямой зависимостью от потребления хлора. Эти факторы диктуют необходимость разработки новых эффективных способов получения щелочных соединений калия.
Рассмотрим подробно аминный способ получения карбоната калия. Проведенный аналитический обзор химических исследований в этой области показал, что большинство авторов характеризуют амин-ный способ получения карбоната калия как наиболее перспективный. Об этом говорит такой факт, что, начиная с 1950 года, в разных странах выдано значительное количество патентов, касающихся этого способа. Во многих патентах показано использование алифатических аминов первичного, вторичного и третичного ряда с температурой кипения менее или более 1000С. В качестве амина предлагается использование пиперидина C5H10NH и гексаметиленимина (CH2)6NH. Некоторые из них касаются одновременно получения гидрокарбоната калия и натрия из сильвинитов [3, с. 93].
октябрь, 2017 г.
Исходя из вышеизложенного, в данной работе были исследованы процессы получения гидрокарбоната калия аминным способом с помощью диэти-ламина. Сущность его заключается в обработке раствора хлорида калия (1 моль) и диэтиламина (1 моль) диоксидом углерода под давлением АР = 2-4 кПа. При охлаждении образующегося раствора выпадает кристаллический гидрокарбонат калия, который отделяется от раствора хлорида диэтиламина, и из последнего регенерируется диэтиламин.
Процесс карбонизации проводили в политермическом реакторе в течение 45 мин. Оптимальная температура 800С достигается в течение 25-35 мин. при АР 2-4 кПа. В отобранной пробе определяли содержание (C2H5)2NH методом отгонки по Кьельдалю, содержание иона кальция устанавливали трилономет-рическим методом, содержание иона хлора - арген-тометрическим методом с использованием блока автоматического титрования БАТ-15. Содержание калия выявляли методом пламенной фотометрии.
Для определения оптимальных технологических условий осуществления контроля процесса и подбора насосов, перемешивающих устройств исследовались изменения рН, плотности и вязкости растворов и суспензий.
Измерение рН-системы проводили на иономере ЭВ-74, плотности - плотномером, а вязкости - ротационным вискозиметром [8, с. 1573], результаты которых представлены в табл. 4 и 5.
Для определения минералогического состава образцов проводили рентгенографический, микроскопический и термический анализы.
Идентификацию образцов устанавливали на основе дифрактограмм (рис. 1), которые снимали на аппарате XRD-6100 (Shimadzu, Japan), управляемом компьютером.
Применяли CuKa-излучение (Р-фильтр, Ni, 1.54178; режим тока и напряжения трубки 30 mA, 30 kV) и постоянную скорость вращения детектора 4 град./мин. с шагом 0,02 град. (ю/20-сцепление), а угол сканирования изменялся от 4 до 800. Для количественного определения авторы использовали комплекс программного обеспечения BGMN / Profex Rietveld (Doebelin & Kleeberg 2015) [4; 8]. Показано, что эта процедура позволяет определять состав из смеси кристаллических ингредиентов и оценивать статистическую ошибку, вытекающую из процедуры Ритвельда, в смеси веществ.
При проведении экспериментов ошибка не превышала 0,5%.
В табл. 1-3 приведены оптимальные параметры и химический состав полученных продуктов, выделенных из реакционной суспензии, и фильтрата при 300С. Как показали полученные данные, с увеличением АР от 2 до 4 кПа при одинаковой температуре 800С и времени карбонизации 45 мин. степень осветления суспензии и влажность твердой фазы увеличиваются от 43,3 до 50,0% и от 4,9 до 22,2% соответственно.
Технологические условия получения поташа
Таблица 1.
№ АР, кПа Оптимальная температура, 0С Время карбонизации, мин. Ж:Т Степень осветления через 3 мин., % Влажность твердой фазы, % Выход продукта, %
1 4,0 80 45 4,63 50,0 22,2 95,6
2 2,0 80 45 3,57 43,3 4,9 95,5
В твердой фазе по сравнению с жидкой резко возрастает содержание К и НСО3 (табл. 2 и 3), что косвенно подтверждает высокий выход продукта (95,595,6%, табл. 1).
Химический состав жидкой фазы
Таблица 2.
Номера опытов соответствуют нумерации таблицы 1 Содержание компонентов, мас%.
СОз НСОз С1 К
1 3,62 1,13 9,08 0,619
2 0,84 3,43 9,98 0,62
Химический состав твердой фазы
Таблица 3.
Номера опытов соответствуют нумерации таблицы 1 Содержание компонентов, мас%.
СОз НСОз С1 К
1 3 40,26 8,86 36,67
2 3,6 48,8 1,68 36,67
Как показывают результаты рентгенофазового анализа (рис. 1), содержание бикарбоната калия в образце 1 составляет 89,74%, а хлорида калия - 10,26%.
В образце 2 эти показатели равны 95,15% и 4,75%, а в дифрактограмме более ярко выражены пики, характерные для гидратных соединений.
а ¡\P-iOi йШий Сдл :;it.TM.lJ №
ики а ■ в КНСОз-■ ка-*
в 1 • ___ Ж иЛ Л._о^ в 1..И А — - . - к
75 1 ^ 1 ^ 1 л 1 ^ 1 ■ ^ 1 ^
Рисунок 1. Рентгенограммы образцов гидрокарбоната калия. Номера образцов соответствуют нумерации
табл. 1
Параметр Значение ЭСР
Образец - 1
Калшщшгг / с^има 0.8974 0.0047
ЕС^'суыма 0.1026 0.0047
Образец - 2
Калшщшгг / сумма 0.9515 0.0061
ИШсумма 0.0475 0.002
Микроскопические анализы (рис. 2) продуктов показывают, что в составе образца 1 образуются иглообразные кристаллы, а во втором образце основная часть кристаллов представляет собой друзы.
Образец 1
Образец 2
Рисунок 2. Микроснимки образцов гидрокарбоната калия. Номера образцов соответствуют номерам
табл. 1
№ 10 (40)
Термограмма образца (рис. 3 а) показывает, что до температуры 120°С его состав не изменяется. При температуре 125,0оС происходит плавление образца (эндотермический процесс поглощения энергии др= -9.45 Дж/г), которое соответствует разложению кристаллогидрата карбоната калия. При Т=182,1оС наблюдается эндотермический пик (Л0= -476,6 ж/г),
те /я
Из термограммы образца (рис. 3б) следует, что максимум эндоэффекта разложения кристаллогидратов перемещается к температуре 1300С с повышением поглощаемой энергии до а=-21,97 Дж/г. Такая же картина соответствует второму эндоэффекту, который соответствует разложению гидрокарбоната калия. Количество поглощаемой энергии достигает 20,5 Дж/г, что почти в 1,5 раза больше, чем в первом образце. Однако процесс происходит также в одну
октябрь, 2017 г.
который связан с последующей деструкцией (разложением) бикарбоната калия с образованием карбоната калия и диоксида углерода, происходящей в одну стадию в интервале температуры 135-190оС. Потеря массы Аш=-22% идет с максимальной скоростью - 4%/мин.
ОЗС /{ГТ*|№гтщ}
За
стадию в интервале температуры 150-1900С с потерей массы Дш=27% при максимальной скорости 5%/мин.
Это объясняется тем, как показано при анализе рентгенограмм образцов, что во втором образце содержание гидрокарбоната калия и кристаллогидратов больше, чем в первом образце.
По данным табл. 4 со снижением соотношения Ж:Т, т. е. с увеличением гидрокарбоната калия в системе, рН увеличивается от 8,87 до 9,50, а с повышением температуры значение рН снижается.
Аг^з: -720.Еи/д
100 ■
75-
200 250
Т^плрегз1[ГЕ :СС
3б
Рисунок 3. Термограмма образцов гидрокарбоната калия
Таблица 4.
Изменения рН-фильтрата и суспензии гидрокарбоната калия в зависимости от соотношения Ж:Т и температуры
№ Ж:Т Температура, 0С
20 40 60
ДР = 2 кПа
1 1:0 8,87 8,59 8,28
2 6:1 9,20 8,89 8,64
3 4:1 9,33 8,96 8,70
4 3:1 9,48 9,1 8,94
5 2:1 9,5 9,16 8,97
ДР = 4 кПа
6 1:0 9,80 9,50 9,15
7 6:1 9,65 9,24 8,85
8 4:1 9,92 9,53 9,10
9 3:1 9,97 9,57 9,16
10 2:1 10,01 9,62 9,20
Исследование реологических свойств показало, что при температуре 200С вязкость системы увеличивается с уменьшением соотношения Ж:Т от 24,28 до 29,52 сПз (табл. 5).
Таблица 5.
Реологические свойства суспензии
Номера образцов соответствуют номерам таб. 4 Плотность, г/см3 при температуре, 0С Вязкость, сПз, при темпе ратуре, 0С
20 40 60 20 40 60
ДР = 2 кПа
1 1,015 1,006 1,00 24,28 8,90 3,30
2 1,021 1,041 1,059 28,09 10,07 3,46
3 1,024 1,04 1,057 29,44 10,78 3,62
4 1,024 1,04 1,061 25,36 12,78 3,83
5 1,028 1,044 1,061 29,52 12,86 4,04
ДР = 4 кПа
1 1,027 1,017 1,013 28,6 11,27 4,28
2 1,131 1,077 1,089 27,57 12,90 4,81
3 1,042 1,045 1,064 39,38 13,34 5,33
4 1,037 1,051 1,067 39,65 14,54 5,35
5 1,052 1,061 1,067 58,28 14,57 5,38
Повышение температуры снижает значения вязкости от 24,20 до 3,30 сПз при Ж:Т=1:0. Плотность системы с повышением соотношения Ж:Т до 1:0 снижается от 1,027 до 1,015 г/см3 при 200С. При одинаковых повышениях температуры и соотношений Ж:Т она увеличивается, особенно при низких значениях Ж:Т, что объясняется увеличением растворимости твердой фазы, которая обеспечивает увеличение плотности системы. Например, при Ж:Т=2:1 плотность увеличивается от 1,025 до 1,061 г/см3.
В изученных интервалах варьирования Ж:Т, температуры, продолжительности процесса карбонизации образуется подвижная масса, которая обеспечивает легкое протекание технологических стадий.
Таким образом, проведенные исследования показывают возможность получения карбонизацией хлорида калия гидрокарбоната калия с его содержанием не менее 95% и выходом более 95%.
Список литературы:
1. Исследование процесса получения карбоната калия / А. Н. Бобокулов и др. // Мат-лы 9-й междунар. науч. конф. «Горно-металлургический комплекс: достижения, проблемы и современные перспективы развития». -Навои: 2016. - 433 с.
2. Ковилис С.С. Техника измерения плотности жидкостей и твердых тел. - М.: Стандарт, 1969. - 70 с.
3. Получение соды и поташа из сильвинитов Карлюкского месторождения / С.А. Крашенинников // Химическая промышленность. - 1984. - № 2. - С. 93.
4. Практикум по физической химии / Н.К. Воробьёв и др. - М.-Л.: Химия, 1964. - 384с.
5. Разработка получения поташа конверсией хлорида калия углеаммонийными солями / А. Бобокулов и др. // Технические и социально-экономические науки - важные вопросы в области Республики Узбекистан. -Ташкент: 2013. - Т. 1. - С. 26-27.
6. Технология кальцинированной соды: Учебник / О.Х. Панжиев и др. -Ташкент: 2017. - 187 с.
7. Эркаев А.У., Тоиров З.К. Пути повышения эффективности использования слабого печного газа в производстве кальцинированной соды // Тезисы докладов междунар. конф. по хим. технологии. - М.: 2007. - С. 357-358.
8. Doebelin N., Kleeberg R. (2015). Profex: a graphical user interface for the Rietveld refinement program BGMN // Journal of applied crystallography, 48(5). Р. 1573-1580.
9. Wasag T. Otrzymywanie potazu metoda aminowa z zastosowaniem dwuetyloaminy / [T. Wasag, T. Wasag, U. Siewielec, G. Poleszczuk] // Przemysl chemiczny. 1974. № 2. P. 94-97.
10. Wasag T. Zastoswanie amin do produkcji weglanow alkalicznych / T. Wasag, T. Wasag, G. Poleszczuk // Chemik. 1976. V. 29. № 9. P. 293-297.
