Хлорид калия – это ключевой компонент минеральных удобрений, широко востребованных в сельскохозяйственной промышленности. Его добывают из сильвинитовой руды, где он смешан с другими минералами, в частности с хлоридом натрия. Для их качественного разделения применяют такой реагент, как алифатические амины. В водной среде они позволяют легко и быстро освободить хлорид калия, выталкивая его на поверхность. Однако в дальнейшем часть аминов остается на минерале, что ухудшает процесс его прессования в гранулы и делает итоговый продукт менее прочным. Ученые Пермского Политеха разработали новый метод очистки хлорида калия с помощью ультразвука. Технология в 4 раза снижает содержание примеси и на 35% повышает прочность гранул. Результаты позволят оптимизировать технологию производства удобрений на калийных предприятиях.

Статья опубликована в журнале «Известия высших учебных заведений. Химия и химическая технология», 2025.

Более чем 80% мировой калийной промышленности для разделения хлоридов калия и натрия применяют метод пенной флотации. Он заключается в обработке руды водой со специальными реагентами – алифатическими аминами. Это вещество активно взаимодействует с частицами хлорида калия, создавая на их поверхности водоотталкивающую пленку. Далее через полученную суспензию пропускают воздух, пузырьки которого поднимают частицы на поверхность в виде пены, тогда как хлорид натрия оседает на дно. Пену собирают, сушат и прессуют в гранулы для дальнейшего использования в сельском хозяйстве в виде минеральных удобрений.

Несмотря на всю эффективность флотации, остается проблема очистки хлорида калия от аминов, которые в небольшом количестве, около 130 г/т, остаются на его поверхности. Это ухудшает процесс прессования, а также значительно влияет на прочность гранулированного продукта.

Ученые Пермского Политеха провели комплексное исследование и выяснили, как с помощью ультразвуковой обработки можно эффективно очистить хлорид калия от алифатических аминов и повысить прочностные характеристики гранул.

Суспензию хлорида калия с аминами политехники подвергали ультразвуковому воздействию частотой 30 кГц, продолжительностью 30-60 секунд и интенсивностью 20-50 Вт/см2. После обработки раствор фильтровали, а полученный кристаллический продукт сушили в печи. После чего оценивали остаточное содержание алифатических аминов, изучали особенности поверхности и элементный состав очищенных частиц.

– Результаты показали, что при интенсивности ультразвукового облучения 40 Вт/cм2 в течение 60 секунд удается максимально снизить, практически в 4 раза, концентрацию аминов в готовом кристаллическом продукте (со 130 до 32 г/т). Это происходит благодаря эффекту кавитации (микроскопических лопающихся пузырьков), из-за которого пленка аминов «отрывается» с поверхности кристаллов и переходит в раствор, – объясняет Мария Черепанова, доцент кафедры химических технологий ПНИПУ, кандидат технических наук.

Чтобы изучить, как облучение повлияло на процесс получения гранул и их прочность, политехники провели эксперимент по прессованию необработанных и обработанных ультразвуком частиц хлорида калия. Давление варьировали в диапазоне от 3 до 15 МПа при длительности выдержки под прессом от 10 до 120 секунд.

Исследователи заметили, что при прессовании необработанного минерала максимальная прочность гранул (155,8 Н) достигается при давлении 10 Мпа и длительности в 30 секунд. Обработка же ультразвуком позволяет на 35% повысить прочность продукта до 210,2 Н.

Такой результат достигается за счет того, что ультразвук активирует рост кристаллических мостиков в структуре частиц хлорида калия, что значительно ее укрепляет и усиливает. Кроме того, обработка делает поверхность минерала более шероховатой, тем самым улучшая сцепление частиц при прессовании.

Технология ученых Пермского Политеха и выявленные оптимальные параметры для обработки минерала позволяют получать более чистый и качественный продукт. Результаты могут быть использованы при проектировании технологии прессования хлорида калия на калийных обогатительных предприятиях.

При производстве различных химических продуктов, минеральных удобрений, стекла, нефтяных растворов и даже при обработке металлов в качестве сырья применяют хлорид калия. Одно из основных требований к продукту – его гранулометрический состав, то есть содержание в веществе частиц (кристаллов) определенного размера. От этого зависит область его реализации. Многие предприятия заинтересованы в изготовлении кристаллов меньшего размера из-за их лучшей растворяемости. Ученые Пермского Политеха выяснили, как с помощью ультразвука можно влиять на размеры хлорида калия. Возможность управлять его гранулометрическим составом расширит область применения продукта в отечественной промышленности.

Статья с подробными результатами опубликована в журнале «Южно-Сибирский научный вестник», 2024 год. Исследование проведено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

При производстве химических веществ, где хлорид калия подвергается растворению, используют мелкокристаллический состав, потому что он обладает более высокой скоростью растворения, чем крупнокристаллический. Применение «мелкого» хлористого калия актуально для производства кожзаменителей, синтетических каучуков, комплексных минеральных удобрений, кормовых и хлебопекарных дрожжей.

Размеры частиц хлорида калия зависят от условий его кристаллизации – стадии, при которой происходит образование кристаллических зародышей вещества и их рост. Научное сообщество уже выяснило, что, воздействуя на него во время этого процесса ультразвуком, можно получить частицы малых размеров. Однако подробнее этот фактор пока не исследовался.

Ученые Пермского Политеха изучили, как определенные параметры ультразвуковой обработки влияют на размеры получаемого хлорида калия, и установили возможность регулирования гранулометрического состава продукта.

Политехники проводили лабораторные исследования с помощью специального реактора. В него вносили дистиллированную воду и химически чистый хлористый калий. Суспензию нагревали до температуры 90°С с последующим охлаждением до 30°С. На протяжении эксперимента смесь перемешивали и обрабатывали ультразвуком с частотой 22 кГц различной интенсивности при охлаждении. Далее фильтровали, сушили и у полученного осадка определяли гранулометрический состав.

– Во время кристаллизации при непрерывном режиме ультразвукового воздействия с увеличенной интенсивностью получаются частицы с меньшим размером, в основном от 0,071 до 0,14 мм. Однако большая часть таких пылевидных фракций в продукте нежелательна, и чтобы снизить их содержание, лучше осуществлять ультразвуковую обработку импульсами. Тогда преобладают частицы хлорида калия с размером от 0,14 до 0,35 мм, – объясняет Константин Кузьминых, старший преподаватель кафедры химических технологий ПНИПУ.

Политехники отмечают, что уже сформировавшиеся крупные кристаллы хлорида калия также можно измельчить. Для этого эффективнее снизить частоту ультразвуковых волн с 44 до 22 кГц, повысить длительности и интенсивность обработки. А в более плотной жидкой среде (в насыщенном водном растворе хлорида калия) этот процесс происходит при меньших значениях мощности и с более высоким коэффициентом измельчения.

Ученые Пермского Политеха доказали, что регулировать гранулометрический состав промышленного хлорида калия возможно с помощью ультразвуковой обработки. Ее эффективность на стадии роста кристаллов существенно выше, чем при измельчении уже сформировавшихся частиц. Практическое применение полученных результатов позволит расширить область применения продукта в отечественной промышленности.

В производстве удобрений, буровых растворов, некоторых пищевых продуктов и лекарственных средств используют хлорид калия – белый кристаллический порошок, который на предприятиях получают с помощью переработки минерального сырья. При долгом хранении в нем образуется пыль, кристаллы поглощают влагу и слипаются друг с другом. Качество падает, и хлорид калия трудно разгружать из вагонов. Поэтому предприятия обрабатывают партию веществом, которое предотвращает слипание – антислеживателем. Однако его неверно подобранный состав может, наоборот, увеличить склеиваемость кристаллов и испортить товар. Ученые изучили причины всех этих процессов в хлориде калия и разработали рекомендации, как можно уменьшить отрицательные эффекты.

Статья опубликована в журнал «Южно-Сибирский научный вестник», № 4 (56), 2024. Исследование выполнено в рамках программы стратегического академического лидерства «Приоритет 2030».

Из хлористого калия делают калийные удобрения, поскольку он очень важен для растений и участвует в процессах фотосинтеза, транспортировки питательных веществ и регулировании водного баланса. В нефтегазовой и горнодобывающей отрасли его используют для буровых растворов. В пищевой промышленности он становится пищевой добавкой, которую можно найти в молоке, сливках, овощных консервах, тортах и даже колбасах. Также его добавляют в поваренную соль для ослабления «негативного» влияния натрия на здоровье человека. Поэтому очень важно сохранять качество хлорида калия на каждом этапе производства.

При хранении и транспортировке кристаллики в нем начинают слипаться (слеживаться) между собой и сыреть. Это снижает качество продукта и может сделать его непригодным для транспортировки и хранения. Антислеживатель должен снижать слеживаемость кристаллов, но если его состав недостаточно качественный, то обработка им увеличивает слеживаемость порошка КС1. А после его применения хлорид калия может поменять окраску с белого на светло-синюю. Такое изменение цвета не соответствует требованиям потребителей и вызывает сомнение в качестве продукта.

Ученые Пермского Политеха нашли способ снизить негативные эффекты от использования антислеживателей и определили причины, по которым меняется окраска порошка. Политехники проводили над хлоридом калия серию экспериментов. Для имитации условий реального производства продукт сначала нагревали, добавляли на него разные антислеживатели, а потом хранили от 1 дня до 10 – в зависимости от того, чем обрабатывали продукт.

– Обычно на производстве используют три вида антислеживателей разного состава. Результаты эксперимента показали, что при использовании вещества с плавом амина разрушение кристаллов порошка усиливается. Мы рекомендуем применять вместо него либо раствор солянокислого амина, либо водный раствор желтой кровяной соли, – рассказывает Константин Кузьминых, старший преподаватель кафедры химических технологий ПНИПУ.

– Мы также выяснили, что свойства антислеживателя с раствором желтой кровяной соли можно улучшить, если добавить мочевину (из нее делают удобрения): он дольше держится на хлориде калия, не разрушаясь на нем даже после 10 суток хранения. Помимо этого, из-за мочевины кристаллы порошка меньше впитывают влагу, а значит меньше слипаются, – комментирует Владимир Пойлов, профессор кафедры химических технологий ПНИПУ, доктор технических наук.

Для выяснения причины изменения цвета продукта после обработки антислеживателем политехники также провели ряд экспериментов. Вопрос состоял не только в том, почему меняется окраска, но и в какой момент это происходит – в процессе производства или после. Выяснилось, что порошок, изменивший цвет, загрязнен серой, которая придает ему такой синий цвет – 3,53 % масс. Однако в составе антислеживателя содержание серы значительно ниже. Это говорит о том, что порча продукта происходит не в производстве, а в процессе транспортировки или даже на складе у самих потребителей. Поэтому ученые рекомендуют хранить хлористый калий так, чтобы он не контактировал с кислотными средами, например, серной кислотой.

Ученые Пермского Политеха выяснили, что обработка порошка хлористого калия антислеживателем на основе водного раствора желтой кровяной соли позволяет максимально снизить разрушение кристаллов, что позволяет обеспечить высокие стандарты продукта.