摘要
硫酸钾是一种重要的无氯钾肥，适用于忌氯作物。然而自然界中没有纯态的硫酸钾，现有的硫酸钾制备方法包括曼海姆法、缔置法和复分解法等。但它们存在能耗高、设备腐蚀严重等问题，因此寻找一种简单、环保及低能耗的硫酸钾制备方法显得紧迫且重要。电渗析是一种重要的电驱动膜分离过程，能够实现溶液相中目标荷电离子的单相传质，具有电流利用效率高、过程绿色等优点，被应用于海水淡化、有机酸生产、处理工业废水中。选择性电渗析(SED)是一种新型的针对相同电性离子分离的电渗析过程，在废水资源化领域有着重要应用。在此我们将选择性电渗析应用到硫酸钾的制备中，针对其关键问题展开了以下研究: 1研究了SED法制备硫酸钾的过程，主要考察了硫酸盐种类、电流密度和硫酸铵/氯化钾比率对实验的影响。结果显示使用硫酸铵作为硫酸盐的SED过程的能耗最低，并且硫酸铵的价格低廉，因此硫酸铵为最合适的硫酸根供应源;当电流密度为20或30mA/cm2时，制得的产品符合国家农业硫酸钾标准GB20406-2006;高的摩尔比率可以使置换过程更加完全，但会导致过多的钾离子流失，且产品中的铵根离子含量也会上升。此外，为了预测产品溶液浓度，针对产品溶液浓度建立了数学模型，结果表明产品浓度的实验值和计算值具有很好的一致性。最后，对SED过程进行初步成本计算，结果显示制备的硫酸钾成本高于市售价格，主要原因是实验装置小和单价阴离子选择性膜成本较高。 2针对SED过程的核心部件——单价阴离子选择性膜展开了制备工作。以溴化聚苯醚(BPPO)与叔胺为原料，探讨了接枝叔胺碳链长度、叔胺/溴甲基比率、热处理温度及膜表面复合聚吡咯对膜性能的影响。结果显示随着接枝的叔胺碳链长度增加，膜的离子选择透过性PSO4Cl增加，叔胺/溴甲基比率越小，膜的离子选择性越高，但膜面电阻也大幅上升;高温热处理能够提高膜内部的结晶度，结晶度越高的膜的致密度越高，由于膜的孔径筛分效应，膜的单价阴离子选择性有所提高，在膜表面复合聚吡咯能够提升膜表面致密度，结果显示膜表面复合聚吡咯之后PSO4Cl有大幅提高，但膜面电阻也迅速增加。对比文献报道中不同方法制备的单价阴离子交换膜，本研究中制备的膜的离子选择透过性PSO4Cl较高，不足之处是膜面电阻较高。 总之，本文提出了一种简单、绿色的硫酸钾制备方法，在实验室研究中制备出了合格的产品。为了进一步将该硫酸钾制备方法应用于实际，一方面需要开发性能优异的膜，另一方面还需将实验装置放大，进行中试生产研究。
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