СПОСОБ ОЧИСТКИ НИТРАТА КАЛИЯ
METHOD OF PURIFYING POTASSIUM NITRATE

Изобретение относится к способам очистки нитрата калия, и может быть использовано для получения продукта высокой степени чистоты, используемого в оптическом стекловарении и волоконной оптике.
Широко известно получение нитрата калия растворением калийсодержащих солей в азотной кислоте. Однако, продукт, получаемый таким методом, содержит как примеси различных металлов, входящих в состав исходных продуктов, так и примеси анионов, например хлоридов, и механические примеси. Наличие этих примесей препятствует применению нитрата калия в ряде областей техники и, прежде всего, в высокотехнологичных областях техники, в частности в оптическом стекловарении, волоконной оптике.
Для очистки нитрата калия от различного рода примесей применяются такие методы очистки как электродиализ, флотация, очистка на ионообменных смолах, кристаллизация. Наиболее широко для очистки нитрата калия применяется кристаллизационный метод. Однако очистка нитрата калия, в частности кристаллизационная очистка, обычно является дополнительной стадией к способу получения нитрата калия. Так, например, в известных способах (US 3062618, 423-194, 1962; SU 1495298, C01D 9/12, 1989; SU 1191443, C01D 9/00, 1985) стадия очистки проводится при различных температурных режимах (от -10 до +50°С).
Например, известен способ получения нитрата калия, включающий растворение хлорида калия в 56%-ной азотной кислоте, охлаждение раствора до - 10°С, промывку выпавших кристаллов водой с последующей сушкой (SU 1191443, С01D 9/00, 1985). Высушенные кристаллы содержат 99,97% нитрата калия и 0,03% хлор-ионов. Для очистки нитрата калия в данном изобретении применяют метод кристаллизации при замораживании, что экономически не выгодно, так как требует применения сложного дорогостоящего оборудования. Кроме того, данный способ не обеспечивает получение высокочистого продукта, удовлетворяющего требованиям, предъявляемым к продуктам для волоконной оптики и оптического стекловарения.
В другом известном способе кристаллизационную очистку нитрата калия, полученного из нитрата кальция и хлорида калия, проводят при 20-30°С, после чего выпавший продукт сушат горячим воздухом или в печах кипящего слоя (SU 1495298, C01D 9/04, 1989). Данным способом, выбранным в качестве прототипа, получают нитрат калия, содержащий 98,3-99,6 мас.% основного вещества и лимитированные примеси в количестве (мас.%): Fe - 0,02-0,03, Si - 0,02-0,05, СаО - 0,13. Основной недостаток данного способа, как и выше рассмотренного, невысокая степень чистоты получаемого нитрата калия, не удовлетворяющая требованиям, предъявляемым к продуктам для волоконной оптики и оптического стекловарения.
3
Целью создания предлагаемого изобретения является разработка нового способа очистки нитрата калия, обеспечивающего получение продукта высокой степени чистоты, удовлетворяющей требованиям, предъявляемым к продуктам для волоконной оптики и оптического стекловарения. Предлагаемый способ очистки водного раствора нитрата калия включает предварительно обработку при перемешивании исходного раствора нитратом алюминия, взятым в количестве, составляющем 1,5-2,5% от массы нитрата калия, после чего к нему добавляют разбавленный водный раствор гидроксида калия до pH 7,5-8,2, и затем фильтрацией отделяют выпавший осадок и отфильтрованный раствор нитрата калия упаривают до плотности не более 1,35 г/см, охлаждают, фильтруют и выделенные кристаллы сушат при температуре 100-110°С.
Для образования исходного очищаемого раствора нитрата калия используют нитрат калия реактивной ректификации и дистиллированную воду.
Очистке подвергают предварительно отфильтрованный исходный раствор нитрата калия.
Для установления pH 7,5-8,2 используют, предпочтительно, 5-10%-ный водный раствор гидроксида калия.
Осадок, выпавший после предварительной обработки водного раствора нитрата калия нитратом алюминия и гидроксидом калия, отфильтровывают на вакуум-фильтре.
Отделение выпавших кристаллов нитрата калия осуществляют центрифугированием при скорости центрифугирования 500-2000 оборотов в минуту.
Предлагаемый способ существенно отличается от способа - прототипа и содержит не только стадию кристаллизационной очистки, но и стадию предварительной очистки исходного раствора нитрата калия, осуществляемую обработкой его раствором нитрата алюминия, взятым в количестве 1,5-2,5% от массы нитрата калия, и затем раствором гидроксида калия до pH 7,5-8,2. В процессе такой обработки происходит соосаждение примесей (Fe, Ni, Со, Cu, Pb, Mn, Cr, Sr, Ва, Al) на образующемся гидроксиде алюминия, играющем в данном случае роль неорганического коллектора.
Такая предварительная обработка исходного раствора реактивного качества, содержащего примесные ионы на уровне 0,001-0,00001 мас.%, в комплексе с другими стадиями обработки (фильтрацией, кристаллизацией) обеспечивает его глубокую очистку до получения высокочистого нитрата калия. Существенное влияние на эффективность процесса очистки оказывает выбранное количество добавляемого нитрата алюминия, являющегося в данном процессе коллекторообразователем. Экспериментально установлено, что количество вводимого нитрата алюминия должно составлять 1,5-2,5% от массы нитрата калия. Использование же нитрата алюминия для очистки исходного раствора нитрата калия в количестве меньшем 1,5% от массы нитрата калия приводит к значительному снижению чистоты получаемого продукта, а использования нитрата алюминия в количестве большем 2,5% ведет к перерасходу данного реагента, так как качество продукта при этом не повышается.
Для осуществления процесса очистки исходного раствора в эффективном режиме необходимо также поддерживать pH реакционной среды на уровне 7,5-8,2, так как при этих условиях происходит полное осаждение коллектора - гидратированного оксида алюминия. В случае уменьшения значения pH ниже 7,5 количество образовавшегося коллектора будет недостаточным для полной очистки раствора, а в случае увеличения pH выше 8,2 будет иметь место частичное растворение коллектора с осажденными на нем примесями, что также приведет к ухудшению качества готового продукта.
В результате предварительной обработки, как было сказано выше, выпадает осадок гидроксида алюминия с соосажденными на нем примесями, который затем отделяют от раствора нитрата калия фильтрацией.
3
3
После стадии очистки отфильтрованный раствор нитрата калия упаривают до плотности не более 1,35 г/см, после чего охлаждают до 20-25°С при постоянном перемешивании. Упаривание раствора до плотности выше 1,35 г/см приводит к уменьшению маточного раствора, а, следовательно, ухудшению качества полученного продукта.
Для отделения кристаллов нитрата калия от маточного раствора могут применяться известные методы. Оптимальным, как показали экспериментальные исследования, в данном случае является центрифугирование, которое позволяет наиболее полно отделять маточный раствор от кристаллов. Стадию центрифугирования в предлагаемом способе допустимо проводить при использовании широкого интервала скоростей вращения центрифуги (от 500 до 2000 оборотов в минуту). Величина используемой в процессе скорости вращения зависит от выбора того или иного типа центрифуг, каковыми могут быть центрифуги марки ОПН-3М, СМ-6МТ.
Стадия сушки кристаллов нитрата калия осуществляется при температуре 100-110°С, которая обеспечивает полное обезвоживание продукта. Для осуществления процесса сушки допустимы известные методы (сушка в полочном сушильном шкафу, в сушилке кипящего слоя), но ограничением осуществления такого процесса является температурный режим (100-110°С).
Такая комплексная очистка нитрата калия исходного раствора реактивного качества, содержащего ионы примесей металлов на уровне 0,001-0,00001 мас.%, включающая как предварительную очистку соосаждением на коллекторе, так и другие стадии очистки, а именно фильтрацию, кристаллизацию, обеспечивает глубокую очистку до получения высокочистого нитрата калия, содержащего следующие примесные ионы (мас%): Fe - 0,000005, Ni - 0,000005, Co - 0,000002, Cu - 0,000001, Pb - 0,000001, Mn - 0,000002, Cr - 0,000001, Sr - 0,00001, Ba - 0,00001, Al - 0,00001, что подтверждено масс-спектральным методом анализа с возбуждением в индуктивно связанной плазме. Такая степень чистоты получаемого кристаллического нитрата калия соответствует требованиям, предъявляемым к химическим соединениям, применяемым в оптическом стекловарении и волоконной оптике.
Предлагаемый способ иллюстрируется примерами, приведенными ниже.
3
Пример 1. Исходный 25%-ный раствор нитрата калия (500 мл), очищенный фильтрацией от механических примесей, заливают в реактор, выполненный из оргстекла и снабженный мешалкой. В реактор вносят 3 г кристаллов нитрата алюминия девятиводного, что составляет 2,5% от массы нитрата калия, перемешивают до полного растворения кристаллов и вводят 10%-ный раствор гидроксида калия до pH 7,5, после чего отделяют раствор от осадка фильтрованием на вакуум-фильтре, упаривают до плотности 1,35 г/см. После этого очищенный раствор охлаждают до температуры 25°С, выпавшие кристаллы отделяют центрифугированием при скорости центрифугирования 500 оборотов в минуту, отжатые кристаллы сушат в сушильном шкафу при температуре 100°С. Полученный продукт содержит примеси (мас.%): Fe - 0,000005, Ni - 0,000005, Со - 0,000002, Cu - 0,000001, Pb - 0,000001, Mn - 0,000002, Cr - 0,000001, Sr - 0,00001, Ва - 0,00001, Al -0,00005.
3
Пример 2. Проводят аналогично примеру 1, только вместо раствора калия нитрата в реактор загружают 170 г калия нитрата реактивной квалификации и 440 мл дистиллированной воды. В полученный раствор добавляют 2,4 г алюминия нитрата девятиводного, что составляет 1,5% от массы нитрата калия, и 5%-ный водный раствор гидроксида калия до установления pH 8,2. Выпавший осадок отделяют фильтрованием и очищенный раствор нитрата калия упаривают до плотности раствора 1,30 г/см, охлаждают при непрерывном перемешивании до 20°С, выпавшие кристаллы отделяют центрифугированием при скорости центрифугирования 2000 оборотов в минуту. Отжатые кристаллы сушат в полочном сушильном шкафу при температуре 110°С. Полученный продукт содержит примеси (мас.%): Fe - 0,000001, Ni - 0,0000005, Со - 0,0000005, Cu - 0,0000005, Pb -0,0000005, Mn - 0,0000005, Cr - 0,0000005, Sr - 0,00001, Ba - 0,00001, Al - 0,00001.
3
Пример 3 проводят аналогично примеру 1, только к исходному 25%-ному раствору калия нитрата добавляют 2,7 г алюминия девятиводного и 7%-ный водный раствор гидроксида калия до pH 8,0. Выпавший осадок отделяют фильтрованием и очищенный раствор нитрата калия упаривают до плотности раствора 1,32 г/см, охлаждают при непрерывном перемешивании до 23°С, выпавшие кристаллы отделяют центрифугированием при скорости центрифугирования 1000 оборотов в минуту. Отжатые кристаллы сушат в полочном сушильном шкафу при температуре 105°С. Полученный продукт содержит примеси (мас.%): Fe - 0,000001, Ni - 0,000001, Со - 0,0000005, Cu - 0,000001, Pb - 0,000001, Mn - 0,0000005, Cr - 0,000001, Sr - 0,000005, Ba - 0,000005, Al - 0,00005.