Kali format có tiềm năng trở thành loại phân bón mới, có thể cách mạng hóa thị trường tiêu thụ các hợp chất kali dùng trong nông nghiệp.
Do độ hòa tan thấp của KCl và K2SO4, các loại phân bón NPK dạng lỏng thông thường chỉ chứa chưa đến 12% K2O. Hàm lượng nước cao của những dung dịch này gây ra tải trọng không cần thiết đối với thiết bị, làm tăng chi phí lưu kho và vận chuyển.
Một trong những thách thức của ngành sản xuất phân bón là tìm ra công thức phân bón NPK dạng lỏng với độ đậm đặc cao nhất có thể được (tức là sử dụng nhiều hơn các loại muối kali tan) và có hàm lượng nước ở mức thấp nhất nhưng vẫn duy trì trạng thái lỏng ngay cả ở những nhiệt độ thông thường khi vận chuyển.
Các dung dịch urê và amoni nitrat (UAN) là bước đi theo hướng thích hợp để sản xuất các loại phân bón lỏng có hàm lượng đạm cao. Các dung dịch kiểu uaN thường có tỷ lệ phần trăm NPK cao nhất và chi phí lưu kho cũng như vận chuyển ở mức thấp nhất trong số các loại phân bón dạng lỏng. Trên thực tế, nhà sản xuất sẽ bổ sung 5-10% nước để chống kết lắng chất rắn trong quá trình vận chuyển ở những khu vực lạnh khác thường và để giữ độ nhớt ở mức hợp lý. Trước khi bón cho cây trồng người nông dân sẽ sử dụng nước tưới tiêu để pha loãng phân bón đặc đã nhận được.
Một hướng đi khác là sản xuất phân bón lỏng có hàm lượng kali cao bằng cách sử dụng kali format (KCOOH) hoặc kali thiosunphat (K2S2O3). Kali format và kali thiosunphat đều có thể được sản xuất bằng những quy trình không cần sử dụng KOH và axit formic, không sử dụng lưu huỳnh và SO2.
Kali format thường được sản xuất như hóa chất công nghiệp để sử dụng làm tan băng, làm dung dịch khoan khai thác dầu mỏ và sử dụng như chất lỏng làm lạnh. Nhà sản xuất kali format lớn nhất thế giới hiện nay là Công ty Perstop (Thụy Điển). Dung dịch kali format thường có bán ở hàm lượng 74% với giá 1300-1400 USD/ tấn. Tuy nhiên, nếu tìm được phương pháp sản xuất rẻ hơn thì kali format có thể trở thành loại phân bón đáng quan tâm: Nó là hợp chất thân môi trường (vì vậy được sử dụng để làm tan băng), an toàn về mặt thực vật học và có hàm lượng K2O cao (trên 40% ở mọi nhiệt độ).
Mặt khác, một trong những thách thức lớn đối với ngành khai thác và cung ứng năng lượng trên thế giới là vấn đề ô nhiễm không khí do phát thải SO2 từ các nhà máy nhiệt điện đốt than. Vì vậy người ta phải áp dụng phương pháp khử lưu huỳnh trong khí ống khói để hấp thụ SO2 từ khí thải trong tháp hấp thụ ngược chiều, trong khi đó sử dụng các dung dịch format hoặc axetat của Na/K/NH4, thu được dung dịch thiosunphat:
2 KCOOH aq + 2 SO2 đ K2S2O3 aq + 2CO2 + H2O
Phương pháp này đòi hỏi phải sử dụng dư dung dịch format, sau công đoạn cô tiếp theo sẽ thu được kết tủa K2S2O3.H2O, còn dung dịch format thừa sẽ được tuần hoàn để tái sử dụng. Người ta cũng có thể sử dụng trực tiếp dung dịch kali format/ kali thiosunphat làm phân bón lỏng.
Nếu kết hợp việc hấp thụ SO2 từ ống khói của các nhà máy nhiệt điện với sản xuất phân bón chứa kali, nhà sản xuất phân bón sẽ không phải mất chi phí để mua lưu huỳnh và sản xuất SO2, trái lại còn được các nhà máy điện trả tiền cho dịch vụ loại bỏ SO2 và giảm ô nhiễm khí thải. Ngày nay, với nhận thức môi trường ngày càng tăng, đây có thể là phương án mà các nhà máy điện sẽ quan tâm xem xét.
Bước 1: Sản xuất canxi format và KClO4
Sản xuất canxi format
Năm 2003, Công ty tư vấn SRI đã công bố báo cáo về quy trình sản xuất canxi format mà họ đề xuất để áp dụng cho công nghệ hấp thụ SO2 từ khí ống khói của các nhà máy điện. Theo quy trình này của SRI, canxi format có thể được sản xuất thông qua reforming khí tự nhiên bằng hơi nước. Trước tiên, người ta sản xuất khí tổng hợp (CO và H2) theo phương trình: CH4 + H2O đ CO + 3H2.
Sau đó, dòng khí tổng hợp được cho đi qua dung dịch vôi tôi để thu giữ CO một cách chọn lọc:
Ca(OH)2 + 2 (CO + 3H2) đ Ca [COOH]2 aq + 6H2
Khí H2 có thể được vận chuyển bằng ống dẫn đến xưởng sản xuất amoniăc, bằng cách đó xưởng canxi format cho phép kết hợp đồng thời giữa sản xuất canxi format với loại bỏ thành phần CO của khí tổng hợp để giảm giá thành của sản xuất amoniăc.
Thu hồi kali từ nước muối:
Năm 1968, nhà nghiên cứu D.R. George (Ixraen) đã đề xuất quy trình thu hồi kali từ nước muối chứa kali bằng cách kết tủa kali ở dạng kali peclorat (KClO4), đây là chất có độ tan thấp trong nước và nước muối, nhất là ở nhiệt độ thấp.
Theo quy trình được khuyến cáo, nước muối được xử lý (kể cả dung dịch natri hoặc canxi peclorat) sẽ được làm lạnh đến 0oC, sau đó khuấy và ly tâm để thu được KClO4. Trên thực tế sản xuất, người ta sẽ kết hợp quá trình làm lạnh với quá trình chiết bã peclorat.
ở đây chúng tôi đề xuất phương pháp sản xuất kali format bằng cách sử dụng phương pháp trao đổi KX (kali peclorat hoặc floborat)/ canxi format của George. Quá trình này có thể được thực hiện bằng thiết bị trao đổi cation hoặc chiết xuất bằng dung môi không trộn lẫn với nước và có chứa nhóm CO.
Thông qua quá trình chiết xuất ngược với nước, dung dịch canxi peclorat/ floborat thu được sẽ được đưa trở về thiết bị kết tủa KX để tái sử dụng.
Các phương trình tương ứng của quá trình này là:
Kết tủa:
2KCl (nước muối) + Ca[ClO4 /BF4] aq đ 2KClO4 / KBF4 + CaCl2
Chiết xuất:
Ca(COOH)2 aq + 2KClO4 /KBF4 đ 2KCOOH aq + Ca (ClO4/BF4)
Bước 2: Sản xuất kali format
ở đây sẽ giới thiệu hai phương pháp: sử dụng muối kali (bậc chất lượng phân bón) làm nguồn kali, hoặc sử dụng KClO4 /KBF4 thu được từ nước muối như miêu tả ở trên. Các phương pháp này còn cần phải nghiên cứu và hoàn thiện tiếp.
Sản xuất kali format từ KCl
Quy trình 1:
a) Dung dịch canxi format (được điều chế theo bước 1) sẽ được xử lý với muối kali rắn trong thiết bị chiết bằng dung môi hữu cơ có chứa nhóm CO, ví dụ butanol hoặc pentanol, để thực hiện trao đổi K/Ca tại chỗ:
Ca(COOH)2 + 2KCl đ 2KCOOH aq + CaCl2
Nếu dung môi cũng chiết xuất tất cả các tạp chất có trong bùn canxi format, pha nước sẽ là dung dịch kali format sẵn sàng để sử dụng làm phân bón.
Bước chiết xuất trong quy trình này (và cả trong quy trình 3 dưới đây), trong đó có pha rắn và hai pha lỏng, là công đoạn mới trong quá trình được đề xuất, vì vậy có thể cần phải nghiên cứu và phát triển tiếp. Nhưng chúng tôi hy vọng, tuy không chắc chắn, là KCl sẽ hòa tan và phản ứng đồng thời. Tất cả các dung môi loại này đều ưu tiên Na so với K, vì vậy tỷ lệ Na/K trong dung dịch kali format thu được có thể thấp hơn so với trong nguyên liệu kali đầu vào.
b) Tái sinh dung môi bằng nước: Pha nước thu được sẽ là dung dịch canxi clorua, có thể được thải bỏ mà không lo ngại ảnh hưởng đến môi trường.
Nếu quy trình 1 không cho kết quả tốt thì có thể áp dụng quy trình 2:
a) Dung dịch canxi format được cho tiếp xúc với thiết bị trao đổi cation đã nạp kali. Các ion K sẽ đi vào pha nước, tạo thành dung dịch kali format, đồng thời Ca được hấp thụ bởi thiết bị trao đổi cation.
b) Tái sinh thiết bị trao đổi cation bằng cách cho tiếp xúc với dung dịch KCl: kali được thiết bị trao đổi cation hấp thụ và pha nước sẽ là dung dịch canxi clorua, có thể được thải bỏ.
Sản xuất kali format từ KClO4/ KBF4
Quy trình 3:
a ) Tương tự như quy trình 1, nhưng KClO4 hoặc KBF4 thu được bằng cách kết tủa từ nước muối chứa kali sẽ được bổ sung vào dung dịch canxi format trong thiết bị chiết để thực hiện trao đổi K/Ca tại chỗ. Việc này sẽ cho phép chiết canxi peclorat từ phản ứng trao đổi sau:
Ca(COOH)2 + 2 KClO4 đ 2KCOOH aq + CaClO4
b) Thông qua quá trình chiết xuất ngược với nước, dòng nước thu được từ bước này sẽ là dung dịch canxi peclorat (hoặc floborat), dung dịch này được đưa trở lại thiết bị kết tủa KClO4 để tái sử dụng.
Quy trình 4:
Trao đổi cation như quy trình 2, nhưng trong bước b thiết bị trao đổi cation được tái sinh bằng dung dịch KClO4 nóng, hoặc bằng KBF4 nếu nó tan đủ tốt (thay cho KCl). Dòng nước thu được từ bước tái sinh sẽ là dung dịch canxi peclorat (hoặc floborat), nó được đưa trở lại thiết bị phản ứng kết tủa KClO4 để tái sử dụng n
Hoahocngaynay.com
Nguồn Vinachem/Industrial Minerals
