鉀鹽

鉀石鹽

多晶體鉀鹽，旁邊放的 1 美分用來作為顏色和大小的對比

鉀鹽是不同含鉀的礦物的總稱，分為可溶性鉀鹽礦物和不可溶性含鉀的鋁矽酸鹽礦物。世界上 95% 的鉀鹽產品用作肥料，5% 用於工業。典型的鉀鹽包括鉀石鹽、光鹵石、鉀鹽鎂礬和水鎂礬等。

鉀鹽和石鹽不同的在於鉀鹽會有顏色，往往是橙紅色到淡棕色的，這個顏色來源於晶體裡含的氧化鐵和氫氧化鐵。世界上大多數鉀鹽礦是含有鉀石鹽和水鎂礬的礦床。

全世界鉀鹽的年產量為 9000 萬噸（相當於 4000 萬噸氧化鉀），加拿大是最大的鉀鹽開採國。大多數鉀鹽被用作肥料。大多數水鎂礬礦位於德國。

用語

鉀鹽泛指含鉀的礦物，其中最重要的是碳酸鉀。

最早生產鉀鹽的方法是收集或者生產草木灰，把草木灰溶化到水裡，然後在一個大鐵鍋裡蒸發，留下的白色剩餘就是鉀鹽。約 10% 的草木灰重量可以留下成為鉀鹽。後來鉀鹽被用來泛指自然裡存在的鉀鹽以及用它們製造的商業產品。

生產歷史

第一份美國專利，頒發給 “製造鉀鹽的新裝置和程式”，由喬治・華盛頓總統簽署

加拿大鐵路上運輸鉀鹽的貨車

從青銅器時期開始鉀鹽就被用來漂白紡織品、製玻璃、陶瓷和製肥皂。

14 世紀裡衣索比亞開採鉀鹽。世界上最大的鉀鹽礦床之一（約 1.4 至 1.5 億噸）位於阿法爾州達洛爾地區。

鉀鹽曾經是最重要的工業化學產品之一。過去大多數鉀鹽是透過使用歐洲、俄國和北美洲闊葉樹的灰製作的。雖然 18 世紀末就已經發明瞭製作人工鉀鹽的方法，但是一直到 19 世紀末這些方法才足夠便宜，此前鉀鹽的主要來源依然是有機來源。

從 14 世紀初開始鉀鹽在歐洲成為重要的國際貿易品。估計從 17 世紀初開始歐洲每年進口 600 萬以上立方米鉀鹽。

1420 年到 1620 年間格但斯克、柯尼斯堡和里加是出口鉀鹽最多的城市。1654 年至 1667 年的俄波戰爭使得鉀鹽出口中心從波羅的海轉移到俄羅斯。1700 年俄國是鉀鹽的主要來源，格但斯克依然保持其重要地位，因為那裡出產的鉀鹽質量高。15 世紀末由於倫敦是生產肥皂的中心，它也是領先的鉀鹽進口地。16 世紀荷蘭成為最主要的鉀鹽進口和消費地。

2.1 18 世紀

1790 年美國頒發的第一份專利是頒發給 “製造鉀鹽和 “珍珠灰” 的新裝置和程式” 的改進。“珍珠灰” 是將木灰在火爐或者窯爐裡煅燒提高其純度獲得的鉀鹽。在英國人們生產鉀鹽製作肥皂來清潔製布的羊毛。

18 世紀裡英國從美國進口高質量的鉀鹽的量不斷提高。18 世紀末和 19 世紀初生產鉀鹽為北美移民提供了他們繼續的收入和貸款，與此同時他們伐木來贏得耕地。移民需要處理砍下來的木材才能完全使用開拓的耕地。最簡單的處理方法是把不用做燃料和建築材料的木材燒掉。硬木的灰可以用來製作氫氧化鉀，用它可以製作肥皂或者生產價格更高的鉀鹽。每公頃硬木可以生產 60 到 100 蒲式耳灰（相當於每平方千米 500 到 900 立方米）。1790 年在紐約州鄉村地區每公頃生產的灰可以賣 3.25 到 6.25 美元（相當於每平方千米 800 到 1500 美元），幾乎與僱農工清理同樣面積林地的僱傭費一樣高。在英屬北美生產鉀鹽是一個重要工業。英國始終是最重要的消費市場。美國的鉀鹽工業跟隨伐木者的斧頭橫掃北美洲。1820 年後紐約州取代新英格蘭成為最重要的鉀鹽產地，到 1840 年生產中心已經移到了俄亥俄州。在這個過程中鉀鹽始終是一個副產品工業，追隨農業開墾林地的需要。

在奧克尼群島上，從 1719 年開始海帶的灰提供鉀鹽和碳酸鈉，這個工業維持了一個世紀，“這些物質當時是玻璃和肥皂工業重要的原料”。

從 1767 年開始加拿大也出口木灰製的鉀鹽。1811 年英國進口的鉀鹽中 70% 來自加拿大。1865 年加拿大出口的鉀鹽達 43958 桶。

1857 年德國在施塔斯富特的鹽礦裡首次發現鉀鹽，鉀鹽是開採石鹽的剩下的廢料，當時被作為鹽滷倒掉。後來，德國發展鉀鹽工業，使鉀肥的施用量迅速增加。從此結束了人類使用草木灰作鉀鹽的時代。

2.2 20 世紀工業化

19 世紀裡在德國創辦大規模鉀鹽礦後用草木灰製作鉀鹽的工業衰減。1943 年在打井勘探石油時在加拿大薩斯喀徹溫省發現鉀鹽。1951 年開始採礦。1958 年美國鉀鹽公司成為加拿大第一個在佩辛斯湖擁有地下開採鉀鹽權利的公司，由於水流入礦井，1959 年末開採停止。經過大幅度排水和修復後 1965 年又開始開採。1987 年地下的礦井被淹。1989 年礦重新開始開採，成為一個溶液礦。

位於加拿大薩斯喀徹溫省的鉀化合物廠的明信片

1964 年一個名為鉀化合物的加拿大公司首次使用溶液礦的方法開採鉀鹽。

世界上大多數鉀礦是由遠古內海沉積形成的。海水蒸發後鉀鹽在海底留下成為鉀鹽礦石。今天的鉀鹽礦全部位於這樣形成的地方。這樣的礦床裡混合含有氯化鉀和氯化鈉，即食鹽。隨時間地球的表面變化，原來的沉積層被上千米厚的土壤覆蓋。

大多數鉀鹽礦的井深達 1400 米。一些礦床是水平的淺的沉積岩，它們可以露天開採。在地上的工廠裡氯化鉀被分離出來來生產高含量的鉀肥料。其它過程可以把其它鉀鹽分離出來，從中獲取硫酸鉀和硫酸鉀鎂。

今天世界上已知的最大的鉀鹽礦床分佈在世界各地，從加拿大的薩斯喀徹溫省到巴西、白俄羅斯、德國和二疊紀盆地。二疊紀盆地的沉積層包括美國新墨西哥州卡爾斯巴德外的大型礦山以及位於附近利縣的沉積，其中利縣的沉積純度達 80%，是世界上純度最高的鉀鹽沉積。加拿大是鉀鹽的最大出產國，其後是俄羅斯和白俄羅斯。

中國大多數礦床位於其西部省份的內流盆地，尤其在青海省。1950 年代的地質勘探發現了這些礦藏，但是商業開採一直要等到 1980 年代裡鄧小平施行改革開放政策才開始。1989 年在察爾汗鹽湖創辦的青海鉀鹽肥料廠使得中國氯化鉀的產量提高了 6 倍。此前海西蒙古族藏族自治州和塘沽區的生產總量不到每年 4 萬噸，此後達到近 24 萬噸。

20 世紀初在衣索比亞和厄利垂亞邊境附近達洛爾盆地發現鉀鹽礦藏。總藏量為 1.85 億噸。有些這些礦藏適合露天開採。1960 年代裡開始開採，但是 1967 年因為水災停工。由於衣索比亞 - 厄利垂亞戰爭 1990 年代開始的開採再次被迫停工。

印度曾經研究過從海水中提取鉀鹽。在從海水中蒸發水提取鹽的過程中鉀會在鹽工業作為廢料處理的鹽滷中集中。

1904 年德國人在上萊茵發現鉀鹽礦床。1910 年、1915 年德國和法國的兩個鉀鹽礦床開始生產。在一戰前，德國幾乎控制了世界的鉀鹽市場。

20 世紀初，死海的礦鹽在以色列南方被開採。1956 年，從死海的礦鹽生產鉀鹽的阿拉伯鉀鹽公司成立。1958 年，約旦王國授予該公司開採、生產、推銷死海的礦物的一百年獨家經營權。

形成

被地質運動扭曲的鹽層

中歐的鉀鹽礦藏是 2.5 億年前在樂平世和第三紀時期形成的。今天的鹽礦地區當時是淺海或者海灣，當時的氣候乾燥炎熱，因此大量海水在相當短的時間裡被蒸發。地質運動使得這些淺海和海灣與大洋分離，它們開始乾枯。根據不同礦物的溶解度以下礦物先後結晶：

石灰岩 / 白雲石
石膏 / 硬石膏（剩餘的水分最多為原來的約 25%）
石鹽（剩餘水分最多為原來的約 10%）
鉀鹽（剩餘水分少於原來的 1%）

在大多數情況下由於隔離的障礙消失或者氣候變化在石膏結晶或者石鹽結晶的時候這個過程就被停止或中斷了。因此鉀鹽的礦藏是比較少見的。蒸發後形成的鹽層被其它沉積（比如黏土）覆蓋。有時在蒸發後氣候重新潮溼，此後再次進入蒸發狀態。由於海底逐漸下沉，在上百萬年中可以形成數千米後的石膏和鹽層。在中歐和西歐的地下至少有 5 個這樣的蒸發系列。三個這樣的系列裡含有鉀鹽層。其它沉澱物（比如後來形成砂岩的沙）繼續沉積，使得鹽層上有沉積了數千米其它的岩層。

最後氣候和地質情況再次轉變，鹽不再沉積。

由於鹽的密度比大多數其它岩石低，而且在壓力作用下它會開始緩慢流，因此它會慢慢聚集在一定的地形裡並開始向地表上升。透過這個被稱為鹽構造的過程最後形成鹽丘。這樣鉀鹽隨石鹽一起上升到地表，使得人類可以在礦場開採。

儲存

俄羅斯彼爾姆邊疆區索利卡姆斯克烏拉爾鉀肥礦井中開採的晶體。在藍色的石鹽晶體裡含有微小紅色的鉀鹽

最大的鉀鹽礦藏位於俄羅斯、白俄羅斯、烏克蘭、加拿大、美國和中國羅布泊。其中最大的產地是加拿大薩斯喀徹溫省。以色列和約旦從死海這樣的鹹水湖提取大量鉀鹽。其它重要產地有德國、智利、西班牙、英國、烏茲別克和巴西。

開採

鉀鹽有透過露天開採和礦井開採的。

使用蒸發開採的方式是把熱水注入鹽層，把鹽溶化然後泵到地表後透過太陽能蒸發。

加工

德國漢諾威附近鉀鹽礦井廢渣堆的空照

一般鉀鹽礦採出來的鹽層含 20 到 35% 的鉀鹽，因此在地上開採的鹽必須加工處理。提純的方法有泡沫浮選、熱釋放和靜電分離。使用泡沫浮選的方法是在開採或者蒸發獲得的鉀鹽裡參加胺化合物。胺與鉀鹽接合，但是不與氯化鈉接合。胺與鉀鹽接合後形成泡沫浮到溶液的上方，而氯化鈉和粘土則沉到底部。浮在表面的胺和鉀鹽可以被漂出來。此後產品經過烘乾後繼續加工，比如加工成顆粒。

處理提純後剩餘的鹽和鹼含有大量鎂鹽和氯化鈉，這些廢料的處理是一個大問題。一個處理方法是把它們壓入多空的石灰岩，另一個方法是作為廢水排洩。

職業危險

在歷史上由於環境因素如氡和石棉導致的呼吸道疾病始終是鉀鹽礦工面臨的大問題。鉀鹽礦工容易得矽肺病。一個 1977 年到 1987 年間關於鉀鹽礦工心血管疾病的調查顯示鉀鹽礦工的死亡率比較低，但是與地面工人相比還是有明顯差別的。

消費

8.1 肥料

鉀是繼氮和磷之後第三重要植物肥料。從古代開始它就被用作土壤肥料。元素鉀與水產生激烈反應，因此在大自然中沒有元素鉀。作為不同化合物鉀佔地球地殼質量的 2.6%，是地殼裡第七最常見的元素，其丰度與鈉類似（1.8%）。鉀可以提高農作物的儲存、產量、營養、味道、顏色、質量和抗病能力，因此在農業被廣泛使用。它對水果、蔬菜、米、麥、其它穀物、甜菜、玉米、大豆、棉花和棕櫚都起作用。

2000 年以來對食物和飼料的需求依然不斷提高。美國農業部認為這個增長的原因是因為每年全球人口增長 7500 萬人。亞洲和拉丁美洲的發展尤其提高了對鉀鹽肥料的需求。發展中國家收入的提高也是鉀鹽肥料使用提高的原因。收入提高後消費者食品中肉和奶的成分提高。這個飲食習慣的更改導致更多農地需要開墾，更多肥料需要使用，更多畜牲需要蓄養，也需要更多鉀鹽。

經過數年不斷的上升後 2008 年肥料使用下降。全球經濟危機是這個下降的主要原因，它導致鉀鹽價格下跌，存量上升。

世界上最大的鉀鹽消費國是中國、美國、巴西和印度。巴西 90% 的消費量是進口的。2022 年全球鉀鹽消費估計會達到 3780 萬噸。

雖然肥料裡不含有氧化鉀，因為氧化鉀是一種腐蝕性物質而且會潮解，但是進出口的鉀鹽數量一般使用氧化鉀等量噸來報告。

8.2 價格

從 2008 年開始鉀鹽的價格猛增，從每噸 200 美元上升到 2009 年 2 月每噸 875 美元。2010 年 4 月鉀鹽的價格驟跌到每噸 310 美元，此後兩年裡它又逐漸回覆，然後 2013 年再次下跌。2011 年 11 月每噸的價格約為 470 美元，而 2013 年 5 約則為 393 美元。2013 年 7 月全球最大的鉀鹽壟斷合作突然分裂後價格下跌 20%。2015 年 12 月末鉀鹽的價格為每噸 295 美元。2016 年 4 月的價格為每噸 269 美元。2017 年 5 月鉀鹽的價格下跌到每噸 216 美元，比上一年下降 18%。2018 年 1 月價格回升到每噸 225 美元。全球鉀鹽需求量的變化一般立刻會反應到價格中。

8.3 其它應用

氯化鉀在許多工業中被應用，它被用來回收鋁、用來生產氫氧化鉀、在電鍍中被使用、在石油工業中作為鑽井液、用來溶化冰雪、用在鋼鐵熱加工中、在醫學裡用來治療低鉀血癥以及用來硬水軟化。氫氧化鉀被用來做水處理，並是碳酸鉀、磷酸鉀和其它鉀化合物的原料。它還被用來生產肥皂。碳酸鉀被用來生產飼料補充、水泥、滅火器、食品、照片沖洗劑和紡織品。在釀製啤酒、生產藥品的過程中它有使用。在生產合成橡膠的過程中它被用作催化劑。與矽砂反應它可以產生矽酸鉀，被用在繪畫和電弧焊的電極中。非肥料使用佔美國鉀鹽消費的約 15%。

8.4 取代

作為植物肥料以及基本的動物和人類營養鉀無法被取代。有機肥和海綠石含有少量的鉀，只有在短距離運輸的情況下才可以贏利。

書籍

Seaver, Frederick J. (1918) "Historical Sketches of Franklin County And Its Several Towns" , J.B Lyons Company, Albany, NY, "Making Potash" 章，27–29 頁