CN106362593B - 一种硫酸钾的制备系统及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种硫酸钾的制备系统及制备方法，其中：制备系统包括膜堆和固定在膜堆两侧的阳电极和阴电极；膜堆由阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜依次交替间隔排列，形成阳极室、阴极室、第一盐室、第二盐室和第三盐室；制备时，在三个盐室中分别加入氯化盐、氯化钾和硫酸盐溶液，第三盐室中的硫酸根离子通过阴离子交换膜迁移到第二盐室中，第二盐室中的氯离子通过单价阴离子选择透过性膜迁移到第一盐室中，在第二盐室中，迁移过来的硫酸根离子被单价阴离子选择透过性膜截留与钾离子结合得到硫酸钾。本发明工艺流程简单，整个过程在常温下进行，对设备腐蚀小，能耗低，无二次污染，原料价格低廉。
Description
技术领域
本发明涉及无氯钾肥生产技术领域，具体涉及一种使用电渗析技术制备硫酸钾的装置及方法。
背景技术
硫酸钾是一种重要的无氯钾肥，特别适用于一些忌氯作物的施用。我国国标GB20406-2006规定，农业用硫酸钾要求中优等品硫酸钾的氧化钾质量分数≥50％，氯离子质量分数小于1％，此外还含有约18％的硫元素。在多种无氯钾肥中，碳酸钾、磷酸二氢钾和硝酸钾由于成本较高而较少在农业中使用；而硫酸钾的氧化钾含量高，其中含有的硫也是植物所需的元素之一，并且还具有其他一些优良特性，如不吸潮、不结块、便于运输和使用，因此硫酸钾是无氯钾肥的主要品种。
按照生产工艺来分类，硫酸钾的生产方法可分为三类：由海湖盐卤水制取，由硫酸盐矿制取，及氯化钾转化法制取。其中，氯化钾转化法制取的硫酸钾占世界总产量的70％左右(章永洁，曹吉林，任宝山，谢英惠，硫酸钾生产方法综述，化肥设计.2003,41(1):8-11.)。根据原料的不同，氯化钾转化法又分为以下几种：
1、曼哈姆(Mamheim)法。该方法是目前工业上生产硫酸钾的主要工艺，使用该方法生产的产量占世界产量的50％以上。根据其反应机理，其反应式为：
KCl+H2SO4＝KHSO4+HCl
KHSO4+KCl＝K2SO4+HCl
其中第一步反应在较低温度下进行，第二步反应是在高温(600-700℃)、强酸的条件下进行的，因此，需要专门的加热炉(曼哈姆炉)作为反应容器。因为高温强酸的反应条件，该方法存在设备腐蚀严重、单炉生产能力提高困难、维修量较大的问题；另外，副产品盐酸也难以畅销。
2、溶剂萃取法。该方法是在曼海姆法的基础上，向体系中加入有机溶剂，将反应生成的HCl移走或固定，使反应不断向右进行，让反应在相对温和的条件下进行。溶剂萃取法虽然降低了曼海姆方法的温度，但存在工艺流程复杂、萃取剂和反萃剂价格高且有一定损失、萃取剂容易中毒等局限性。
3、复分解法。该方法是将含硫酸根的盐类与氯化钾进行反应，生成溶解度较小的复盐，从而获取硫酸钾产品和相应副产品。该工艺的关键在于充分利用相图数据选择最佳转化点及结晶点。比如，现有技术公开一种用NaSO4和KCl制备硫酸钾的复分解方法(贺春宝，张喜荣，氯化钾与芒硝复分解制取硫酸钾的研究，海湖盐与化工.2000,29(6):30-33.)。复分解法反应温度低、工艺简单，但复盐不能充分分解使钾的转化率不高，产品质量也不高。
虽然现有技术能够制得质量较好的硫酸钾产品，但是制备的过程或多或少会存在能耗高、投资费用高、对设备腐蚀严重、易导致二次污染、工艺流程复杂等问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种硫酸钾的制备系统及制备方法，采用本发明提供的系统和方法制备硫酸钾，工艺流程简单、投资费用低、对设备腐蚀小、无二次污染。
本发明提供了一种硫酸钾的制备系统，包括膜堆和固定在膜堆两侧的阳电极和阴电极；所述膜堆由阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜依次交替间隔排列构成，且靠近阳电极和阴电极的均为阳离子交换膜，阳电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阳极室，阴电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阴极室；在阳极室和阴极室之间由依次交替间隔排列的阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜构成一个或多个第一盐室、第二盐室和第三盐室的重复单元；
第一盐室和第二盐室之间以单价阴离子选择性透过膜为间隔实现离子交换，第二盐室和第三盐室之间以阴离子交换膜为间隔实现离子交换，第三盐室和与其相邻的下一重复单元的第一盐室以阳离子交换膜为间隔实现离子交换。
阳电极和阴电极分别连接与电源的正极和负极；
阳极室和阴极室串联连通于电解液进样装置，构成电解液的循环回路；第一盐室连通于第一盐溶液进样装置，构成第一盐溶液的循环回路；第二盐室连通于第二盐溶液进样装置，构成第二盐溶液的循环回路；第三盐室连通于第三盐溶液进样装置，构成第三盐溶液的循环回路。
本发明还提供了一种硫酸钾的制备方法，其采用上述的制备系统进行制备，包括如下步骤：
将强电解质溶液通过电解液进样装置输送到膜堆阴极室与阳极室中；
将氯化盐溶液通过第一盐溶液进样装置输送到膜堆第一盐室中；
将氯化钾溶液通过第二盐溶液进样装置输送到膜堆第二盐室中；
将硫酸盐溶液通过第三盐溶液进样装置输送到膜堆第三盐室中；
开启电源，第三盐室中硫酸盐溶液的硫酸根离子在电场作用下通过阴离子交换膜迁移到第二盐室中，第二盐室中氯化钾溶液中的氯离子在电场作用下通过单价阴离子选择透过性膜迁移到第一盐室中，在第二盐室中，迁移过来的硫酸根离子被单价阴离子选择透过性膜截留与钾离子结合得到硫酸钾。
优选的，所述强电解质溶液选自氢氧化钠、硫酸、氢氧化钾、硫酸钠、硫酸钾和硫酸铵溶液中的一种或几种，最优选为硫酸铵溶液。
优选的，所述强电解质溶液浓度为0.01～2mol/L。
优选的，所述氯化盐溶液选自氯化铵、氯化钠、氯化镁溶液中的一种或几种。
优选的，所述氯化盐溶液浓度为0.01～2mol/L。
优选的，令第二盐溶液进样装置中氯化钾溶液的摩尔浓度为a，实验温度下硫酸钾的饱和摩尔浓度为b，则a≤2b。
优选的，所述硫酸盐溶液选自硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁中的一种或几种。
优选的，令第三盐溶液进样装置中硫酸盐的物质的量为c，第二盐溶液进样装置氯化钾物质的量为d，则c:d≥0.5。
与现有技术相比，本发明的有益效果体现在：
本发明提供的制备系统和方法，以硫酸盐作为硫酸根离子的供给源，通过阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜的配合使用，将氯化钾转化成硫酸钾，产物纯度高、工艺流程简单、易于实现机械化和自动化；且整个过程整个过程在常温下即可进行，对设备腐蚀小，原材料来源广泛，能耗低，价格低廉，无二次污染。
附图说明
图1为本发明实施例提供的硫酸钾制备系统的结构示意图，图中：1为电源，2为电源的正极，3为电源的负极，4为阳电极，5为阴电极，6为电解液罐，7为第一盐室罐，8为第二盐室罐，9为第三盐室罐，10为电解液潜水泵，11为第一盐室潜水泵，12为第二盐室潜水泵，13为第三盐室潜水泵，14和15为膜堆夹紧装置，16为膜堆。
图2为膜堆所用隔板的结构示意图，图中：1为螺栓孔，2、4为孔道、3为隔室。
图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
具体实施方式
本发明硫酸钾的制备系统，包括膜堆和固定在膜堆两侧的阳电极和阴电极；膜堆由阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜依次交替间隔排列构成，且靠近阳电极和阴电极的均为阳离子交换膜，阳电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阳极室，阴电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阴极室；在阳极室和阴极室之间由依次交替间隔排列的阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜构成一个或多个第一盐室、第二盐室和第三盐室的重复单元；
阳电极和阴电极分别连接与电源的正极和负极；
阳极室和阴极室串联连通于电解液进样装置，构成电解液的循环回路；第一盐室连通于第一盐溶液进样装置，构成第一盐溶液的循环回路；第二盐室连通于第二盐溶液进样装置，构成第二盐溶液的循环回路；第三盐室连通于第三盐溶液进样装置，构成第三盐溶液的循环回路。具体的：所述电解液进样装置的出口与所述阳极室的进口相连，所述阳极室的出口与所述阴极室进口相连，所述阴极室出口与所述电解液进样装置进口相连；所述第一盐溶液进样装置的出口与所述第一盐室的进口相连，所述第一盐室的出口与所述第一盐溶液进样装置的进口相连；所述第二盐溶液进样装置的出口与所述第二盐室的进口相连，所述第二盐室的出口与所述第二盐溶液进样装置的进口相连；所述第三盐溶液进样装置的出口与所述第三盐室的进口相连，所述第三盐室的出口与所述第三盐溶液进样装置的进口相连。
参见图1，图1为本发明实施例提供的硫酸钾制备系统的结构示意图，其中，1为电源，2为电源的正极，3为电源的负极，4为阳电极，5为阴电极，6为电解液罐，7为第一盐室罐，8为第二盐室罐，9为第三盐室罐，10为电解液潜水泵，11为第一盐室潜水泵，12为第二盐室潜水泵，13为第三盐室潜水泵，14和15为膜堆夹紧装置，16为膜堆。
在本发明中，硫酸钾的制备系统包括膜堆。膜堆包括阴离子交换膜、阳离子交换膜和单价阴离子选择性交换膜、隔板，各个膜位于隔板之间。本发明对阴离子交换膜、阳离子交换膜、单价阴离子选择透过性膜没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的膜，可在市场购买获得。在本发明的实施例中，阴离子交换膜、阳离子交换膜、单价阴离子选择透过性膜的每张有效面积可为5-400cm2；在另外的实施例中，阴离子交换膜、阳离子交换膜、单价阴离子选择透过性膜的每张有效面积也可为10～200cm2；在其他的实施例中，阴离子交换膜、阳离子交换膜、单价阴离子选择透过性膜的每张有效面积也可以为20cm2。本发明可以采用合肥科佳高分子材料科技有限公司提供的阴离子交换膜、阳离子交换膜，日本旭硝子公司提供的单价阴离子选择透过性膜。
在本发明中，隔板、阳离子交换膜、隔板、单价阴离子选择透过性膜、隔板、阴离子交换膜、隔板顺序叠压后构成重复单元。重复单元中的阳离子交换膜靠近阳电极，阴离子交换膜靠近阴电极。在本发明的实施例中，膜堆可以包括1-20个重复单元，；在另外的实施例中，膜堆也可以包括2-15个重复单元；在其他的实施例中，膜堆还可以包括2个重复单元。
在本发明中，重复单元优选还包括密封垫，密封垫设置于阳离子交换膜与隔板、阴离子交换膜与隔板、单价阴离子选择透过性膜与隔板之间。
在本发明中，隔板优选包括孔道和隔室腔体，溶液可以通过孔道流进流出，孔道和隔室腔体在隔板上的位置关系如图2所示，1为螺栓孔，2、4为孔道，3为隔室。
在本发明中，阴电极和阳电极分别置于膜堆的两边。本发明对阴电极和阳电极没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的电渗析装置所用的阴电极和阳电极，满足实际操作条件即可。在本发明中，阴电极通过导线与电源的负极相连，阳电极通过导线与电源的正极相连。在本发明的实施例中，电源为与阴电极和阳电极配套的电源，可以为直流电源。
在本发明中，膜堆夹紧装置用于固定阴电极、阳电极与膜堆。本发明对膜堆夹紧装置没有特殊的限制，满足实际操作条件即可。在本发明的实施例中，膜堆夹紧装置可以由两块夹紧铁板和螺栓组成，将两块夹紧铁板分别设置于膜堆的两边，并用螺栓紧固。
在本发明中，膜堆、阳电极、阴电极、夹紧装置的排列顺序为：夹紧装置、阳电极、膜堆、阴电极、夹紧装置。
在本发明中，膜堆内部形成阴极室、阳极室、第一盐室、第二盐室和第三盐室五个隔室。本发明中，阴极室的出口设置在与阳极室出口、第一盐室出口、第二盐室出口和第三盐室出口不同的位置；阴极室的进口设置在与阳极室进口、第一盐室进口、第二盐室进口和第三盐室进口不同的位置。本发明中，阳极室的进口设置在与阴极室进口、第一盐室进口、第二盐室进口和第三盐室进口不同的位置；阳极室的出口设置在阴极室出口、第一盐室出口、第二盐室出口和第三盐室出口不同的位置。本发明中，电解液进样装置的进口可以与电解液进样装置出口相同，也可以不同。本发明通过将电解液进样装置出口与阳极室的进口相连，阴极室进口与阳极室的出口相连，电解液进样装置的进口与阴极室的出口相连，使第一电解液进样装置、阳极室和阴极室之间形成循环回路。
在本发明的实施例中，为了便于电解液的循环流动，电解液进样装置的出口与阳极室的进口之间可以设置有第一连接装置；阴极室的进口与阳极室的出口之间可以设置有第二连接装置；电解液进样装置的进口与阴极室的出口之间可以设置有第三连接装置。本发明对第一连接装置、第二连接装置和第三连接装置没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明的实施例中，所述第一连接装置可以为乳胶管；所述第二连接装置可以为乳胶管；所述第三连接装置可以为乳胶管。
在本发明中，电解液进样装置优选包括电解液盛放容器和电解液输送装置。在本发明中，电解液盛放容器的进口与阴极室的出口相连；电解液输送装置设置于电解液盛放容器内部。在本发明的实施例中，电解液盛放容器的进口与阴极室的出口采用上述技术方案所述的第三连接装置相连；电解液输送装置的出口采用上述技术方案所述的第一连接装置与阳极室的进口相连；阳极室的出口采用上述技术方案所述的第二连接装置与阴极室的进口相连。
在本发明中，所述电解液盛放容器用于盛放电解液。在本发明中，所述电解液优选为强电解质溶液，强电解质溶液选自氢氧化钠、硫酸、氢氧化钾、硫酸钠、硫酸钾和硫酸铵溶液中的一种或几种，最优选为硫酸铵溶液。在本发明中，电解液的摩尔浓度优选为0.01mol/L～2mol/L，更优选为0.03mol/L～1.5mol/L，最优选为0.06mol/L～1.2mol/L，最最优选为0.08mol/L～1mol/L。本发明对电解液盛放容器的形状、材质和尺寸没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明的实施例中，电解液盛放容器可以为电解液罐6。
在本发明中，电解液输送装置用于将电解液盛放容器中的电解液输送至阳极室中，电解液再经过阳极室与阴极室的第二连接装置输送至阴极室，电解液再经过阴极室与电解液盛放容器的第三连接装置输送至电解液盛放容器中，形成循环回路。在本发明的实施例中，电解液输送装置可以为电解液潜水泵10。
在本发明中，第一盐溶液进样装置的出口与第一盐室进口相连，第一盐溶液进样装置的进口与第一盐室出口相连，使第一盐溶液进样装置和膜堆内部的第一盐室之间形成循环回路。在本发明中，第一盐溶液进样装置的进口可以与第一盐溶液生成装置出口相同，也可以不同。
在本发明的实施例中，为了便于盐溶液的循环流动，第一盐溶液进样装置的出口与第一盐室进口之间可以有第四连接装置；第一盐室的出口与第一盐溶液进样装置的进口之间可以有第五连接装置。本发明对第四连接装置、第五连接装置没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明中，第四连接装置、第五连接装置可以与上述技术方案所述的第一连接装置相同，也可以不同。在本发明的实施例中，第四连接装置可以为乳胶管，第五连接装置可以为乳胶管。
在本发明中，第一盐溶液进样装置优选包括第一盐溶液盛放容器和第一盐溶液输送装置。第一盐溶液盛放容器的进口与第一盐室出口相连；第一盐溶液输送装置设置于第一盐溶液盛放容器内部。在本发明的实施例中，第一盐溶液输送装置的出口采用上述技术方案所述的第四连接装置与第一盐室进口相连；第一盐溶液盛放装置的进口采用上述技术方案所述的第五连接装置与第一盐室出口相连。
在本发明中，第一盐溶液盛放容器用于盛放氯化盐溶液，优选为氯化铵、氯化钠、氯化镁溶液中的一种或几种，最优选为氯化铵溶液。优选的，所述第一盐溶液进样装置中氯化盐溶液的浓度为0.01～2mol/L，更优选为0.05～1.5mol/L，最优选为0.1～0.5mol/L。氯化盐溶液的体积优选为淹没第一盐溶液盛放容器中的第一盐溶液输送装置。本发明对第一盐溶液盛放容器的形状、材质和尺寸没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明的实施例中，第一盐溶液盛放容器可以为第一盐室罐7。
在本发明中，第一盐溶液输送装置用于将第一盐溶液盛放容器中的第一盐溶液输送至膜堆内部的第一盐室中。在本发明的实施例中，第一盐溶液输送装置可以为第一盐室潜水泵11。
在本发明中，第二盐溶液进样装置的出口与第二盐室进口相连，第二盐溶液进样装置的进口与第二盐室出口相连，使第二盐溶液进样装置和膜堆内部的第二盐室之间形成循环回路。在本发明中，第二盐溶液进样装置的进口可以与第二盐溶液进样装置出口相同，也可以不同。
在本发明的实施例中，为了便于盐溶液的循环流动，第二盐溶液进样装置的出口与第二盐室进口之间可以有第六连接装置，第二盐室的出口与第二盐溶液进样装置的进口之间可以有第七连接装置。本发明对第六连接装置、第七连接装置没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明中，第六连接装置、第七连接装置可以与上述技术方案所述的第一连接装置相同，也可以不同。在本发明的实施例中，第六连接装置可以为乳胶管，第七连接装置可以为乳胶管。
在本发明中，第二盐溶液进样装置优选包括第二盐溶液盛放容器和第二盐溶液输送装置。在本发明中，第二盐溶液盛放容器的进口与第二盐室出口相连；第二盐溶液输送装置设置于第二盐溶液盛放容器内部。在本发明的实施例中，第二盐溶液盛放容器的进口与第二盐室出口采用上述技术方案所述的第七连接装置相连；第二盐溶液输送装置的出口采用上述技术方案所述的第六连接装置与第二盐室进口相连。
在本发明中，第二盐溶液盛放容器用于盛放盐溶液，优选为氯化钾溶液。令第二盐溶液进样装置中氯化钾溶液的摩尔浓度为a，实验温度下硫酸钾的饱和摩尔浓度为b；优选的，a≤2b。氯化钾溶液的体积优选为淹没第二盐溶液盛放容器中的第二盐溶液输送装置。本发明对第二盐溶液盛放容器的形状、材质和尺寸没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明的实施例中，第二盐溶液盛放容器可以为第二盐室罐8。
在本发明中，第二盐溶液输送装置用于将第二盐溶液盛放容器中的盐溶液输送至膜堆内部的第二盐室中。在本发明的实施例中，第二盐溶液输送装置可以为第二盐室潜水泵12。
在本发明中，第三盐溶液进样装置的出口与第三盐室进口相连，第三盐溶液进样装置的进口与第三盐室出口相连，使第三盐溶液进样装置和膜堆内部的第三盐室之间形成循环回路。在本发明中，第三盐溶液进样装置的进口可以与第三盐溶液进样装置出口相同，也可以不同。
在本发明的实施例中，为了便于盐溶液的循环流动，第三盐溶液进样装置的出口与第三盐室进口之间可以有第八连接装置，第三盐室的出口与所述第三盐溶液进样装置的进口之间可以有第九连接装置。本发明对第八连接装置、第九连接装置没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明中，第八连接装置、第九连接装置可以与上述技术方案所述的第一连接装置相同，也可以不同。在本发明的实施例中，第八连接装置可以为乳胶管，第九连接装置可以为乳胶管。
在本发明中，第三盐溶液进样装置优选包括第三盐溶液盛放容器和第三盐溶液输送装置。在本发明中，第三盐溶液盛放容器的进口与第三盐室出口相连；第三盐溶液输送装置设置于第三盐溶液盛放容器内部。在本发明的实施例中，第三盐溶液盛放容器的进口与第三盐室出口采用上述技术方案的第九连接装置相连；第三盐溶液输送装置的出口采用上述技术方案所述的第八连接装置与第三盐室进口相连。
在本发明中，所述第三盐溶液盛放容器用于盛放硫酸盐溶液，优选为硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁溶液中的一种或几种，最优选为硫酸铵溶液。优选的，另第三盐溶液盛放容器中硫酸盐的物质的量为c，第二盐溶液盛放容器中氯化钾的物质的量为d，则c:d≥0.5。硫酸盐溶液的体积优选为淹没第三盐溶液盛放容器中的第三盐溶液输送装置。本发明对第三盐溶液盛放容器的形状、材质和尺寸没有特殊的限制，满足实际操作条件即可；在本发明的实施例中，所述第三盐溶液盛放容器可以为第三盐室罐9。
在本发明中，第三盐溶液输送装置用于将所述第三盐溶液盛放容器中的盐溶液输送至所述膜堆内部的第三盐室中。在本发明的实施例中，第三盐溶液输送装置可以为第三盐室潜水泵13。
在本发明中，优选采用直流电源1对上述装置进行恒电流或恒电压操作。
本发明还提供了一种硫酸钾的制备方法，采用上述的系统，包括以下步骤：
将强电解质溶液通过电解液进样装置输送到膜堆阳极室和阴极室中；
将氯化盐溶液通过第一盐溶液进样装置输送到膜堆第一盐室中；
将氯化钾溶液通过第二盐溶液进样装置输送到膜堆第二盐室中；
将硫酸盐溶液通过第三盐溶液进样装置输送到膜堆第三盐室中；
开启电源，第三盐室中硫酸盐溶液的硫酸根离子在电场作用下通过阴离子交换膜迁移到第二盐室中，第二盐室中氯化钾溶液中的氯离子在电场作用下通过单价阴离子选择透过性膜迁移到第一盐室中，在第二盐室中，迁移过来的硫酸根离子被单价阴离子选择透过性膜截留与钾离子结合得到硫酸钾。
在本发明中，优选的，在运行装置之前，使得溶液循环流动排出装置内部空气；待空气排出后，开启直流电源，运行装置。更优选的，使得所述溶液循环流动具体为开启潜水泵，使得阳极室与阴极室、第一盐室、第二盐室、第三盐室的溶液各自按循环回路流动。
为进一步了解本发明，下面结合实施例对本发明提供的硫酸钾的制备系统及方法进行详细描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
组装制备系统：具体的，膜堆1是由两端的阳电极4、阴电极5与2个重复单元和膜堆夹紧装置14、15构成；重复单元按下述材料排列顺序组成：隔板、密封垫、阳离子交换膜、密封垫、隔板、密封垫、单价阴离子选择透过性膜、密封垫、隔板、密封垫、阴离子交换膜、密封垫；重复单元中的阳离子交换膜靠近阳电极，阴离子交换膜靠近阴电极；夹紧装置包括夹紧板、螺栓、螺母和垫片。阳离子交换膜、阴离子交换膜、单价阴离子选择透过性膜的每张有效面积为20cm2；组装膜堆只需将上述组成部分按图1顺序叠加，然后装上膜堆夹紧装置14、15，再用扳手拧紧即可。将电解液潜水泵10出口、第一盐室潜水泵11出口、第二盐室潜水泵12出口、第三盐室潜水泵13出口分别与阳极室进口、第一盐室进口、第二盐室进口，第三盐室进口用乳胶管连接；再将阳极室6出口与阴极室13进口用乳胶管连接；再将两个重复单元的相同隔室的进出口用乳胶管连接；最后，将阴极室出口、第一盐室出口、第二盐室出口，第三盐室出口与电解液罐6进口、第一盐室罐7进口、第二盐室罐8进口、第三盐室罐9进口用乳胶管相连；从而，形成四个独立的循环回路。分别将直流电源中电源的正极2、电源的负极3与阳电极4、阴电极5用导线连接。
采用上述所示的制备系统制备硫酸钾，包括以下步骤：
向电解液罐6灌入200mL摩尔浓度为0.3mol/L的硫酸钾溶液，硫酸钾溶液的体积占电解液罐6体积的50％。
向第一盐室罐7灌入200mL摩尔浓度为0.15mol/L的氯化铵溶液，氯化铵溶液的体积占第一盐室15体积的50％。
向第二盐室罐8灌入200mL摩尔浓度为1.1mol/L的氯化钾溶液，氯化钾溶液的体积占第二盐室罐8体积的50％。
向第三盐室罐9灌入200mL摩尔浓度为0.605mol/L的硫酸铵溶液，硫酸铵溶液的体积占电解液罐17体积的50％。
打开电解液潜水泵10、第一盐室潜水泵11、第二盐室潜水泵12、第三盐室潜水泵13使电解液罐6、第一盐室罐7、第二盐室罐8、第三盐室罐9中的溶液循环流动以排除装置中的气泡；待循环流动5min后开启直流电源运行电渗析装置，本实施例中采用恒电流操作，设定电流大小为0.4A。
本实施例在制备硫酸钾的过程中测试了膜堆电压，测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
本实施例认为膜堆电压迅速上升时实验结束，实验结束后测定第二盐室罐8中溶液(目标产物)的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子的浓度，计算产物中硫酸钾的质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)，测定和计算结果如表1所示，表1为实施例1～实施例5产物中的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子浓度和计算的硫酸钾质量分数和能耗(kw·h/kgK2SO4)。
实施例2
采用实施例1所示的制备系统制备硫酸钾，包括以下步骤：
向电解液罐6灌入200mL摩尔浓度为0.3mol/L的硫酸钾溶液，硫酸钾溶液的体积占电解液罐6体积的50％。
向第一盐室罐7灌入200mL摩尔浓度为0.15mol/L的氯化钠溶液，氯化钠溶液的体积占第一盐室15体积的50％。
向第二盐室罐8灌入200mL摩尔浓度为1.1mol/L的氯化钾溶液，氯化钾溶液的体积占第二盐室罐8体积的50％。
向第三盐室罐9灌入200mL摩尔浓度为0.605mol/L的硫酸钠溶液，硫酸钠溶液的体积占电解液罐17体积的50％。
打开电解液潜水泵10、第一盐室潜水泵11、第二盐室潜水泵12、第三盐室潜水泵13使电解液罐6、第一盐室罐7、第二盐室罐8、第三盐室罐9中的溶液循环流动以排除装置中的气泡；待循环流动5min后开启直流电源1运行电渗析装置，本实施例中采用恒电流操作，设定电流大小为0.6A。
本实施例在制备硫酸钾的过程中测试了膜堆电压，测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
本实施例认为膜堆电压迅速上升时实验结束，实验结束后测定第二盐室罐8中溶液(目标产物)的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子的浓度，计算产物中硫酸钾的质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)，测定和计算结果如表1所示，表1为实施例1～实施例5产物中的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子浓度和计算的硫酸钾质量分数和能耗(kw·h/kgK2SO4)。
实施例3
采用实施例1所示的制备系统制备硫酸钾，包括以下步骤：
向电解液罐6灌入200mL摩尔浓度为0.3mol/L的硫酸钾溶液，硫酸钾溶液的体积占电解液罐6体积的50％。
向第一盐室罐7灌入200mL摩尔浓度为0.075mol/L的氯化镁溶液，氯化镁溶液的体积占第一盐室15体积的50％。
向第二盐室罐8灌入200mL摩尔浓度为1.1mol/L的氯化钾溶液，氯化钾溶液的体积占第二盐室罐8体积的50％。
向第三盐室罐9灌入200mL摩尔浓度为0.605mol/L的硫酸镁溶液，硫酸镁溶液的体积占电解液罐17体积的50％。
打开电解液潜水泵10、第一盐室潜水泵11、第二盐室潜水泵12、第三盐室潜水泵13使电解液罐6、第一盐室罐7、第二盐室罐8、第三盐室罐9中的溶液循环流动以排除装置中的气泡；待循环流动5min后开启直流电源1运行电渗析装置，本实施例中采用恒电流操作，设定电流大小为0.8A。
本实施例在制备硫酸钾的过程中测试了膜堆电压，测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
本实施例认为膜堆电压迅速上升时实验结束，实验结束后测定第二盐室罐8中溶液(目标产物)的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子的浓度，计算产物中硫酸钾的质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)，测定和计算结果如表1所示，表1为实施例1～实施例5产物中的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子浓度和计算的硫酸钾质量分数和能耗(kw·h/kgK2SO4)。
实施例4
采用实施例1所示的制备系统制备硫酸钾，包括以下步骤：
向电解液罐6灌入200mL摩尔浓度为0.6mol/L的硫酸铵溶液，硫酸铵溶液的体积占电解液罐6体积的50％。
向第一盐室罐7灌入200mL摩尔浓度为0.15mol/L的氯化铵溶液，氯化铵溶液的体积占第一盐室15体积的50％。
向第二盐室罐8灌入200mL摩尔浓度为1.1mol/L的氯化钾溶液，氯化钾溶液的体积占第二盐室罐8体积的50％。
向第三盐室罐9灌入200mL摩尔浓度为0.66mol/L的硫酸铵溶液，硫酸铵溶液的体积占电解液罐17体积的50％。
打开电解液潜水泵10、第一盐室潜水泵11、第二盐室潜水泵12、第三盐室潜水泵13使电解液罐6、第一盐室罐7、第二盐室罐8、第三盐室罐9中的溶液循环流动以排除装置中的气泡；待循环流动5min后开启直流电源1运行电渗析装置，本实施例中采用恒电流操作，设定电流大小为0.6A。
本实施例在制备硫酸钾的过程中测试了膜堆电压，测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
本实施例认为膜堆电压迅速上升时实验结束，实验结束后测定第二盐室罐8中溶液(目标产物)的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子的浓度，计算产物中硫酸钾的质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)，测定和计算结果如表1所示，表1为实施例1～实施例5产物中的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子浓度和计算的硫酸钾质量分数和能耗(kw·h/kgK2SO4)。
实施例5
采用实施例1所示的制备系统制备硫酸钾，包括以下步骤：
向电解液罐6灌入200mL摩尔浓度为0.6mol/L的硫酸铵溶液，硫酸铵溶液的体积占电解液罐6体积的50％。
向第一盐室罐7灌入200mL摩尔浓度为0.15mol/L的氯化铵溶液，氯化铵溶液的体积占第一盐室15体积的50％。
向第二盐室罐8灌入200mL摩尔浓度为1.1mol/L的氯化钾溶液，氯化钾溶液的体积占第二盐室罐8体积的50％。
向第三盐室罐9灌入200mL摩尔浓度为0.77mol/L的硫酸铵溶液，硫酸铵溶液的体积占电解液罐17体积的50％。
打开电解液潜水泵10、第一盐室潜水泵11、第二盐室潜水泵12、第三盐室潜水泵13使电解液罐6、第一盐室罐7、第二盐室罐8、第三盐室罐9中的溶液循环流动以排除装置中的气泡；待循环流动5min后开启直流电源1运行电渗析装置，本实施例中采用恒电流操作，设定电流大小为0.6A。
本实施例在制备硫酸钾的过程中测试了膜堆电压，测试结果如图3所示，图3为本发明实施例1～实施例5的膜堆电压随时间的变化曲线图。
本实施例认为膜堆电压迅速上升时实验结束，实验结束后测定第二盐室罐8中溶液(目标产物)的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子的浓度，计算产物中硫酸钾的质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)，测定和计算结果如表1所示，表1为实施例1～实施例5产物中的钾离子、硫酸根离子、氯离子、铵根离子浓度和计算的硫酸钾质量分数和能耗(kw·h/kg K2SO4)。
表1
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专技术人员能够实现或使用本发明，对这些实施例的多种修改对本领域专业技术人员来说将是显而易见的。本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖性特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种硫酸钾的制备方法，其特征在于：采用硫酸钾的制备系统进行制备，所述制备系统包括膜堆和固定在膜堆两侧的阳电极和阴电极；所述膜堆由阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜依次交替间隔排列构成，且靠近阳电极和阴电极的均为阳离子交换膜，阳电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阳极室，阴电极与相邻的阳离子交换膜之间形成阴极室；在阳极室和阴极室之间由依次交替间隔排列的阳离子交换膜、单价阴离子选择性透过膜和阴离子交换膜构成一个或多个第一盐室、第二盐室和第三盐室的重复单元；
阳电极和阴电极分别连接与电源的正极和负极；
阳极室和阴极室串联连通于电解液进样装置，构成电解液的循环回路；第一盐室连通于第一盐溶液进样装置，构成第一盐溶液的循环回路；第二盐室连通于第二盐溶液进样装置，构成第二盐溶液的循环回路；第三盐室连通于第三盐溶液进样装置，构成第三盐溶液的循环回路；
第一盐室和第二盐室之间以单价阴离子选择性透过膜为间隔实现离子交换，第二盐室和第三盐室之间以阴离子交换膜为间隔实现离子交换；
所述制备方法包括如下步骤：
将强电解质溶液通过电解液进样装置输送到膜堆阴极室与阳极室中；
将氯化盐溶液通过第一盐溶液进样装置输送到膜堆第一盐室中；
将氯化钾溶液通过第二盐溶液进样装置输送到膜堆第二盐室中；
将硫酸盐溶液通过第三盐溶液进样装置输送到膜堆第三盐室中；
开启电源，第三盐室中硫酸盐溶液的硫酸根离子在电场作用下通过阴离子交换膜迁移到第二盐室中，第二盐室中氯化钾溶液中的氯离子在电场作用下通过单价阴离子选择透过性膜迁移到第一盐室中，在第二盐室中，迁移过来的硫酸根离子被单价阴离子选择透过性膜截留与钾离子结合得到硫酸钾。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述强电解质溶液选自氢氧化钠、硫酸、氢氧化钾、硫酸钠、硫酸钾和硫酸铵溶液中的一种或几种。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于：所述强电解质溶液浓度为0.01～2mol/L。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于；所述氯化盐溶液选自氯化铵、氯化钠、氯化镁溶液中的一种或几种；所述硫酸盐溶液选自硫酸铵、硫酸钠、硫酸镁中的一种或几种。
5.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于；所述氯化盐溶液浓度为0.01～2mol/L。
6.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于；令第二盐溶液进样装置中氯化钾溶液的摩尔浓度为a，实验温度下硫酸钾的饱和摩尔浓度为b，则a≤2b。
7.根据权利要求1或4所述的制备方法，其特征在于；令第三盐溶液进样装置中硫酸盐的物质的量为c，第二盐溶液进样装置中氯化钾的物质的量为d，则c:d≥0.5。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于；所述电源为直流电源。
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