一种高纯度硝酸钾的制备方法及高纯度硝酸钾
阅读说明：本技术 一种高纯度硝酸钾的制备方法及高纯度硝酸钾 (Preparation method of high-purity potassium nitrate and high-purity potassium nitrate ) 是由 方志刚 于 2021-02-07 设计创作，主要内容包括：本申请涉及一种高纯度硝酸钾的制备方法及高纯度硝酸钾,涉及化工原料制备的领域,包括以下步骤：S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃,过滤得硝酸钾饱和溶液；S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用85-88℃的水降温30min并加入晶种,此过程一直保持搅拌,得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温,此过程始终对硝酸钾过饱和溶液进行搅拌,至硝酸钾溶液的温度为20℃,吹干硝酸钾晶体,得高纯度硝酸钾。本申请具有制备硝酸钾纯度更高、粒度更好、不易结块从而流动性更好、松散度更高的效果。(The application relates to a preparation method of high-purity potassium nitrate and the high-purity potassium nitrate, which relate to the field of preparation of chemical raw materials and comprise the following steps: s1, preparing a potassium nitrate supersaturated solution: mixing and dissolving solid potassium nitrate and water in a mass ratio of 2:1, heating to 95 ℃, and filtering to obtain a potassium nitrate saturated solution; s2, cooling and crystallizing: cooling the potassium nitrate saturated solution obtained in the step S1 for 30min by using water at the temperature of 85-88 ℃, adding seed crystals, and stirring all the time in the process to obtain a potassium nitrate supersaturated solution for crystallization; s3, multiple grading cooling: and (3) carrying out grading cooling on the potassium nitrate supersaturated solution obtained in the step S2 for multiple times by using cooling water with gradually reduced temperature, stirring the potassium nitrate supersaturated solution all the time in the process until the temperature of the potassium nitrate solution is 20 ℃, and blow-drying the potassium nitrate crystals to obtain the high-purity potassium nitrate. The method has the effects of higher purity of the prepared potassium nitrate, better granularity, better flowability and higher looseness due to difficult caking.)
技术领域
本申请涉及化工原料制备的领域，尤其是涉及一种高纯度硝酸钾的制备方法及高纯度硝酸钾。
背景技术
硝酸钾是一种重要的材料，在食品工业用作发色剂、护色剂、抗微生物剂、防腐剂等，高纯度的硝酸钾除了作为食品添加剂外，还可在陶瓷工业中用于制造瓷釉彩药，还可作为玻璃澄清剂用于制造汽车灯玻壳、光学玻璃显像管玻壳等。高纯度硝酸钾在医药工业也有广泛用途，医药级硝酸钾本身就是一种原料药，如眼科用药等。
硝酸钾具有潮解性，容易结块，在少量氯离子存在的情况下吸湿结块现象更加严重。普通颗粒或粉末状的硝酸钾都有结块现象，导致硝酸钾松散度、流动性普遍不佳。同时，硝酸钾又是强氧化剂，与有机物接触能引起燃烧和爆炸，不适宜进行强力粉碎操作。由于硝酸钾易吸湿结块又不适于强力粉碎的特点，导致硝酸钾的应用受到严重影响。
现阶段，为防止硝酸钾结块，许多化工生产企业在产品中加入抗结剂如硬脂酸镁或烷基磺酸钠为主体的表面活性剂，但这相当于人为引入杂质，大大影响了产品的品质，满足不了硝酸钾在高端领域的应用。另外一种常见的方式是将产品做成造粒硝酸钾，就是将硝酸钾高温熔化后，通过模具压制呈圆形颗粒状的硝酸钾，但是这仅仅只解决了流动性和松散度的问题，无法保证硝酸钾的高纯度，且此操作过程往往也容易引入杂质。
针对上述中的相关技术，发明人认为目前市面上的硝酸钾存在易结块、流动性差、松散度差且纯度不高的缺陷，如何平衡硝酸钾的流动性、松散度和高纯度是亟需解决的问题。
发明内容
为了改善硝酸钾易结块、流动性差、松散度差且纯度不高的问题，本申请提供一种高纯度硝酸钾的制备方法及高纯度硝酸钾。
本申请提供的一种高纯度硝酸钾的制备方法采用如下的技术方案：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃，过滤得硝酸钾饱和溶液；
S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用85-88℃的水降温30min并加入晶种，此过程一直保持搅拌，得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；
S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温，此过程始终对硝酸钾过饱和溶液进行搅拌，至硝酸钾溶液的温度为20℃，吹干硝酸钾晶体，得高纯度硝酸钾；
所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度高于97.0％、粒度在0.3-3.5mm、含水量不超过0.45％、对于7-30目筛的松散度大于60％，外形为椭圆球型晶体。
通过采用上述技术方案，S1步骤中，将低纯度、易结块的固体硝酸钾与水混合并加热制成温度为95℃的硝酸钾饱和溶液，从而对硝酸钾进行析晶提纯。在S2步骤中，95℃的饱和硝酸钾溶液经过85-88℃的水降温30min并加入晶种，搅拌形成有新晶核产生的硝酸钾过饱和溶液，此过程中随着新晶核形成和晶核成长，硝酸钾过饱和溶液的过饱和度逐渐减小，直至趋近于饱和溶液状态。
S3步骤对趋于饱和状态的硝酸钾过饱和溶液进行降温，使硝酸钾过饱和溶液的过饱和度再次变大，整个S3步骤的多次分级降温使硝酸钾溶液始终处于“饱和-过饱和-饱和-……”的循环状态，从而不断析出新的晶核同时使之前形成的晶核长大，最终使析出的硝酸钾晶体数量、粒度、纯度、流动性、松散度等都符合高端领域的应用要求。
S3步骤的降温析晶过程中，在每级降温末尾阶段溶液趋于饱和状态时，晶体的数量及大小保持相对稳定，溶液处于一种动态的平衡，此阶段的搅拌可对晶体进行“表面打磨”而基本不改变晶体的数量及粒径，从而最终使晶体变成表面光滑的椭圆球型晶体，最终改善晶体的流动性与松散度。由实验数据可知，采用S3步骤中的分级降温析晶方式，最终制备得到的硝酸钾具有纯度更高、粒度更好、流动性更好且松散度更优的优异品质。
优选的，所述S3步骤中，冷却水分多次对硝酸钾过饱和溶液进行降温时，冷却水每次温度下降梯度为3-10℃。
通过采用上述技术方案，由实验数据可知，冷却水的温度下降梯度在3-10℃时，有助于提高硝酸钾晶体的粒度，同时改善硝酸钾的流动性。
优选的，所述S3步骤中，冷却水的各级温度依次为88℃、85℃、82℃、79℃、75℃、71℃、66℃、61℃、56℃、50℃、44℃、37℃、30℃、20℃。
通过采用上述技术方案，由实验数据可知，当冷却水的各级温度依次为88℃、85℃、82℃、79℃、75℃、71℃、66℃、61℃、56℃、50℃、44℃、37℃、30℃、20℃时，析出的硝酸钾晶体粒度更加均匀且产率更高。
优选的，所述S3步骤中，冷却水的每级降温时间为30-60min。
通过采用上述技术方案，冷却水的每级降温时间在30-60min，可使冷却水在此时间内将处于饱和硝酸钾溶液降温至与冷却水温度相近的过饱和硝酸钾溶液，从而实现良好的析晶与晶核成长，提高高纯度硝酸钾的产率。
优选的，所述S3步骤中，冷却水在88℃、85℃、82℃、79℃、75℃、71℃、66℃、61℃、56℃、50℃、44℃、37℃、30℃时的降温时间为30min，冷却水在20℃时的降温时间为60min。
通过采用上述技术方案，根据硝酸钾的过饱和-超溶解度曲线可知，随着硝酸钾溶液温度降低，其最大过饱和温度(过冷温度)△Tmax越来越大，也就是说，在高温区，温度略微下降就可以达到成核所需要的过饱和度，在低温区则需要更大幅度的降温才能形成新晶核，晶核的成长速度也更慢。因此，冷却水的降温幅度呈逐渐增大的趋势，最后低温阶段的降温时间也延长至60min，可使溶液中的硝酸钾析出更加充分，提高产率。
优选的，所述S2步骤和所述S3步骤中，硝酸钾过饱和溶液的搅拌速度为10-40r/min。
通过采用上述技术方案，搅拌速度对于析晶的数量与大小存在重大影响，搅拌速度过快，成核数量过多且晶核不易长大，使晶体析出呈粉末状，易吸湿成块；搅拌速度过慢，不易成核且晶核成长速度缓慢，降低产率和生产效率。
本申请提供的一种高纯度硝酸钾采用如下的技术方案：
一种高纯度硝酸钾，所述高纯度硝酸钾的纯度高于99.0％。
优选的，所述高纯度硝酸钾为粒度在0.5-3mm的椭圆球型晶体。
优选的，所述高纯度硝酸钾的含水量不超过0.36％。
优选的，所述高纯度硝酸钾的对于7-30目筛的松散度大于70％。
通过采用上述技术方案，粒度在0.5-3mm、纯度高于90％且对于7-30目筛的松散度大于70％的椭圆球型硝酸钾晶体具有更好的粒度、更高的纯度及更好的流动性和松散度，硝酸钾晶体更加难以吸湿成团成块，品质更高，符合硝酸钾高端领域的应用要求。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.本申请先制备95℃的硝酸钾饱和溶液，再通过降温，使硝酸钾饱和溶液变成过饱和溶液，再通过多次分级降温，使硝酸钾溶液重复“饱和-过饱和-饱和-……”的循环，从而不断析出新的晶核同时使之前形成的晶核长大，最终使析出的硝酸钾晶体数量、粒度、纯度、流动性、松散度等都符合高端领域的应用要求；
2.采用多次分级降温模式析晶，且降温幅度逐渐增大并适配适宜的搅拌速度，使硝酸钾溶液的析晶产率更高、粒度更好，同时还可对硝酸钾晶体进行“表面打磨”，使晶体变成表面光滑的椭圆球型晶体，最终改善晶体的流动性与松散度。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本申请作进一步详细说明。
实施例1
S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃，趁热压滤得硝酸钾饱和溶液；
S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用85℃的水降温30min并加入晶种，此过程一直以60r/min的速度保持搅拌，得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；
S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温，此过程始终对硝酸钾过饱和溶液以60r/min的速度进行搅拌；
冷却水初始温度为85℃，每次降温幅度为15℃，每次降温时间为60min，至硝酸钾溶液的温度为20℃，过滤并吹干硝酸钾晶体，得高纯度硝酸钾。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为98.4％、粒度在0.3-0.8mm、含水量0.43％、对于24目筛的松散度68％，提纯产率80.1％，外形为椭圆球型晶体。
实施例2：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例1的区别在于，S2步骤和S3步骤中硝酸钾溶液的搅拌速度为40r/min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.2％、粒度在0.4-0.9mm、含水量0.35％、对于20目筛的松散度72％，提纯产率80.22％，外形为椭圆球型晶体。
实施例3：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃，趁热压滤得硝酸钾饱和溶液；
S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用88℃的水降温30min并加入晶种，此过程一直以40r/min的速度保持搅拌，得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；
S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温，此过程始终对硝酸钾过饱和溶液以40r/min的速度进行搅拌；
冷却水初始温度为88℃，每次降温幅度为10℃，每次降温时间为40min，至硝酸钾溶液的温度为20℃，过滤并吹干硝酸钾晶体，得高纯度硝酸钾。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.3％、粒度在0.5-1.2mm、含水量0.3％、对于12目筛的松散度87％，提纯产率80.35％，外形为椭圆球型晶体。
实施例4：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃，趁热压滤得硝酸钾饱和溶液；
S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用85℃的水降温30min并加入晶种，此过程一直以20r/min的速度保持搅拌，得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；
S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温，此过程始终对硝酸钾过饱和溶液以20r/min的速度进行搅拌；
冷却水初始温度为85℃，每次降温幅度为5℃，每次降温时间为30min，至硝酸钾溶液的温度为20℃，过滤并吹干硝酸钾晶体，得高纯度硝酸钾。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.4％、粒度在0.5-1.5mm、含水量0.26％、对于10目筛的松散度90％，提纯产率80.5％，外形为椭圆球型晶体。
实施例5：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例4的区别在于，S3步骤中冷却水的初始温度为88℃，每次降温幅度为3℃，每次降温时间为30min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.8％、粒度在0.5-2mm、含水量0.16％、对于8目筛的松散度93％，提纯产率80.82％，外形为椭圆球型晶体。
实施例6：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，包括以下步骤：
S1.制备硝酸钾过饱和溶液：将质量比为2:1的固体硝酸钾和水混合溶解并加热至95℃，趁热压滤得硝酸钾饱和溶液；
S2.降温析晶：将S1步骤得到的硝酸钾饱和溶液用88℃的水降温30min并加入晶种，此过程一直以40r/min的速度保持搅拌，得开始析晶的硝酸钾过饱和溶液；
S3.多次分级降温：用温度逐级递减的冷却水分多次对S2步骤得到的硝酸钾过饱和溶液进行分级降温，此过程始终对硝酸钾过饱和溶液以40r/min的速度进行搅拌；
冷却水初始温度为88℃，冷却水在各级温度依次为88℃、85℃、82℃、79℃、75℃、71℃、66℃、61℃、56℃、50℃、44℃、37℃、30℃、20℃，每级冷却时间均为30min，至硝酸钾溶液的温度为20℃，过滤并吹干硝酸钾晶体，得高纯度硝酸钾。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.6％、粒度在0.5-3mm、含水量0.17％、对于7目筛的松散度94％，提纯产率81.2％，外形为椭圆球型晶体。
实施例7：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例5的区别在于，S3步骤中，冷却水在88℃、85℃、82℃、79℃、75℃、71℃、66℃、61℃、56℃、50℃、44℃、37℃、30℃时的降温时间均为30min，冷却水在20℃时的降温时间为60min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.7％、粒度在0.5-3mm、含水量0.18％、对于7目筛的松散度95％，提纯产率81.45％，外形为椭圆球型晶体。
实施例8：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例6的区别在于，S3步骤中的多次分级降温过程中，始终对硝酸钾过饱和溶液进行搅拌，搅拌速度为30r/min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.6％、粒度在0.5-3mm、含水量0.16％、对于7目筛的松散度94％，提纯产率81.5％，外形为椭圆球型晶体。
实施例9：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例7的区别在于，S2步骤中和S3步骤中，硝酸钾过饱和溶液与硝酸钾饱和溶液的搅拌速度均为20r/min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.7％、粒度在0.5-3mm、含水量0.12％、对于7目筛的松散度95％，提纯产率82.5％，外形为椭圆球型晶体。
实施例10：
一种高纯度硝酸钾的制备方法，本实施例与实施例7的区别在于，S2步骤中和S3步骤中，硝酸钾过饱和溶液与硝酸钾饱和溶液的搅拌速度均为10r/min。
本实施例还提供一种由上述方法制备得到的高纯度硝酸钾，所得高纯度硝酸钾的技术指标如下：纯度为99.9％、粒度在0.5-3mm、含水量0.06％、对于7目筛的松散度96％，提纯产率83.1％，外形为椭圆球型晶体。
对比例1：
本对比例与实施例1的区别在于，S3步骤中，始终采用20℃的冷却水进行降温析晶至硝酸钾溶液温度为20℃。
对比例2：
本对比例与实施例1的区别在于，S3步骤中，未对硝酸钾过饱和溶液进行搅拌。
产品性能测试：
对实施例1-10和对比例1-2中制备得到的硝酸钾晶体进行产品性能测试及外观记录，结果如表1所示。
(1)硝酸钾的纯度测试方法如下：
色谱交换柱规格及制备：长0.3m，内径10mm，填充物：10G强酸型阳离子交换树脂，用无二氧化碳水掩盖保护，树脂上方始终维持1cm厚的液体。
100ml稀盐酸溶液以速度5ml/min通过交换柱，用无二氧化碳水冲洗柱子直到中性(中性兰试纸变蓝色)，在烧杯中将0.200g硝酸钾样品溶解于2ml的无二氧化碳水中并转移至蓄水瓶，让溶液以约3ml/min的流速通过交换柱并收集洗出液，用10ml的无二氧化碳水清洗烧杯并在液体流干前以同样的速度流过交换柱，然后用200ml的无二氧化碳水冲流洗交换柱直到中性(中性兰试纸变蓝色)。
最后用浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液滴定总洗液，用1ml的酚酞指示液判断终点，1ml浓度为0.1mol/L的氢氧化钠溶液相当于10.11mg的KNO3，将氢氧化钠用量换算成KNO3并计算纯度。
(2)硝酸钾的水分含量测试方法如下：
精密称定硝酸钾晶体1.0g，置于干燥至恒重的称量瓶中，再在105℃条件下干燥至恒重，按下式计算：水分(干燥失重)＝(m1-m2)/(m1-m0)×100％；式中，m0——称量瓶自重，m1——干燥前称量瓶和硝酸钾试样总重量；m2——干燥后称量瓶和硝酸钾试样总重量。
(3)硝酸钾的松散度测定方法如下：
根据不同的硝酸钾晶体粒度范围选择合适目数的筛网(7-30目)，使硝酸钾晶体100％过筛，将过筛后的硝酸钾以1kg/包的规格进行包装，包装袋上面压放5kg的重物，自然放置3个月；
三个月后，将试验用硝酸钾样品(整包)从1m高处自由下落至坚硬的平面上，然后将袋内试样倒入筛中(3个月前过筛的同规格筛网)进行筛分。硝酸钾松散度(w)以质量百分数表示，按式下计算：w＝(m-m1)/m×100％；式中：m—过筛前袋内试样质量，m1—过筛后留在筛上的试样质量。
(4)硝酸钾晶体的流动性测定方法如下：
将80g硝酸钾晶体放置在固定于圆形培养皿(半径r＝5cm)中心点上的漏斗中，硝酸钾晶体从漏斗中流出，直至硝酸钾晶体堆积至从培养皿上缘溢出为止，测出圆锥陡堆的顶点到培养皿上缘的高度h，休止角即为锥体底面与锥体斜边的夹角α，休止角余切值cotα＝r/h即用于定义硝酸钾晶体的流动性。休止角余切值为流动性指标，余切值越大，流动性越好。
表1性能测试及外观记录表
本申请实施例的原理为：本申请先制备95℃的硝酸钾饱和溶液，再通过降温，使硝酸钾饱和溶液变成过饱和溶液，再通过多次分级降温，使硝酸钾溶液重复“饱和-过饱和-饱和-……”的循环，从而不断析出新的晶核同时使之前形成的晶核长大；同时采用多次分级降温模式析晶，且降温幅度逐渐增大并适配适宜的搅拌速度，对硝酸钾晶体进行“表面打磨”，使晶体变成表面光滑的椭圆球型晶体，改善晶体的流动性与松散度，最终使析出的硝酸钾晶体数量、粒度、纯度、流动性、松散度等都符合高端领域的应用要求。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
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