化学钢化玻璃生产用硝酸钾的提纯方法 【技术领域】
本发明涉及一种化学钢化玻璃生产用硝酸钾的提纯方法。
背景技术
在玻璃加工业中，经常利用化学钢化技术提高普通玻璃的强度，其方法是把被增强的玻璃以及玻璃制品放置于高温硝酸钾熔融液中浸泡一段时间，取出，冷却，清洗，干燥，即可得到较高的玻璃强度。
实验证明，使用的硝酸钾纯度越高，其玻璃的增强效果越好。但是在工业化生产设备中，即使使用高纯度硝酸钾也得不到预期的强度效果，这是因为在大规模设备和生产中，杂质元素进入到硝酸钾中的途径太多，无法控制；而且从玻璃表面交换下来的钠、钙离子也直接进入硝酸钾，都直接影响了增强效果。国外报导：在工业化生产设备中使用试剂纯硝酸钾和在实验室设备中使用工业纯硝酸钾获得的玻璃强度相当。但因为试剂纯硝酸钾价格昂贵，生产成本太高，无法在工业生产上实现。
由于工业纯硝酸钾纯度较低，杂质含量较高，用其浸渍玻璃达不到对增强玻璃的强度要求。因此，需要在工业纯硝酸钾中加入提纯剂，提纯剂的主要作用是中和工业纯硝酸钾中含有的杂质以及金属容器内壁和玻璃框架表面放出的各种杂质，第二个作用是在增强过程中随时中和从玻璃表面交换出的杂质。然而，采用直接在工业纯硝酸钾中加入提纯剂的方法，必须加入很多数量提纯剂才能保证正常运行，但是硝酸钾熔液中含有大量的提纯剂弊病很多：当提纯剂密度较轻时，悬浮在液体中，造成液体混浊，粘度变大，不但影响交换效果，而且造成玻璃表面磨伤，质量下降；当提纯剂密度较重时，沉淀在容器底部形成泥糊状物质，覆盖住容器内底部的加热器，由于导热性很差，容易烧毁加热器和容器底板，同时增强能力下降。这时，就要及时清理，传统的清理方法都是在断电冷却后进行的，一种方法是用钢钎铁锤把硝酸钾固体砸碎，取出，其工作量大，且易污染硝酸钾；另一种方法是直接用大量水将硝酸钾溶解后排放，硝酸钾无法回收继续使用。
【发明内容】
为了解决现有技术中存在的缺陷，本发明地目的是提供一种在利用化学钢化工艺增强玻璃之前，对带有杂质的工业纯硝酸钾进行特殊处理，使其纯化，纯化后的硝酸钾纯度能达到试剂纯纯度的提纯方法。
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种化学钢化玻璃生产用硝酸钾的提纯方法，其特征在于：它包括如下步骤：
1)将粉末状工业纯硝酸钾原料加入一设有高度标记的容器中，其容器外侧设置有加热装置，容器底部设置有搅拌装置；将容器通电加热至熔融温度，所述粉末状工业纯硝酸钾原料熔融成硝酸钾液体；
2)将步骤1)所述的熔融液体表面泡沫清除，由所述搅拌装置通入压缩空气搅拌，继续升温至保温温度后，升温停止，所述熔融液体处于保温状态；
3)步骤2)所述熔融液体保温1-6小时后，在硝酸钾完全熔化进入保温阶段后，首先浸泡所有不锈钢构件表面，浸泡时间1～6小时，形成致密的表面钝化层，消除不锈钢构件表面对后续的硝酸钾提纯过程造成污染。
4)在步骤3)的熔融液体中加入提纯剂，所述提纯剂的加入比例为所述工业纯硝酸钾加入总量的2-8％；继续搅拌，搅拌时间至少0.25小时，将所述硝酸钾液体与所述提纯剂充分混合后，停止搅拌，静置使其澄清；
5)将步骤4)的澄清溶液由上而下逐层移至外设的一模具中，通过冷却方式将其凝固成块，然后脱模，取其成块的纯硝酸钾码放储存；
所述步骤5)成型的纯硝酸钾的纯度达到试剂纯硝酸钾的纯度。
步骤1)所用容器为不锈钢容器，其外侧安装有所述保温层和加热装置，所述加热装置为电加热器；所述搅拌装置为位于所述容器底部的多孔不锈钢管，所述多孔不锈钢管至少设置2根，最佳设置2-4根。
步骤1)所述粉末状工业纯硝酸钾原料随其不断熔融，随时补充所述粉末状工业纯硝酸钾原料加至容器中；所述的熔融液的熔融温度为334℃。
步骤4)所述的提纯剂由三氧化二铝和碳酸钾粉末组成，三氧化二铝和碳酸钾粉末的配比为1∶1；所述搅拌时间为0.25～4小时。
步骤5)的模具为不锈钢模具，所述冷却方式为自然冷却或吹风冷却。
所述不锈钢模具为截面形状呈倒梯形的截锥成型模具或日用不锈钢盆。
本发明采用上述技术方案后，具有以下优点：
1.提纯后的工业纯硝酸钾仅需少量提纯剂中和玻璃表面释放的杂质元素，即可长时间维持硝酸钾的增强效果，延长硝酸钾和设备使用寿命。
2.当化学钢化玻璃生产设备中硝盐槽底部沉积的提纯剂、碎玻璃或者杂质过多时，必须进行清理。利用本发明的方法直接将硝盐槽中已经处于澄清状态的大部分硝酸钾熔融液逐渐转移到不锈钢成型模具或者不锈钢盆中，经冷却，脱模，形成硝酸钾固体砖块，清理过程不对硝酸钾造成污染，取出的大部分硝酸钾可以重复使用。
3.通过工业纯硝酸钾的提纯，使工业纯硝酸钾达到试剂纯硝酸钾的纯度，降低了生产成本，提纯过程中使用的容器易于清洗，工艺简单，工作量减小，易于推广实施。
【具体实施方式】
为了便于对比，先将采用试剂纯硝酸钾浸渍玻璃，提高其玻璃强度的方法作一简介：
取一不锈钢容器，在底部设置2根多孔不锈钢管作为压缩空气搅拌器，在容器外侧面安装有保温层和电加热器，距容器底部200mm高度设置标记。
在不锈钢容器中装入优级纯硝酸钾，通电加热，逐渐将硝酸钾熔融成液体，液体高度位于200mm，加热至350℃时保温。保温1小时后将一组15片规格为120×20×5mm的玻璃样品浸入熔融液中进行增强，6小时后取出、冷却、清洗、干燥，用三点弯曲强度检测法检测每片样品的强度，计算平均值，为250.2MPa。
继续加热至380℃时保温。保温6小时后将2片规格为100×100×3mm的玻璃样品浸入熔融液中进行增强，6小时后取出、冷却、清洗、干燥，用表面应力仪检测每片样品的表面应力值，计算平均值，为505.6MPa。
继续加热至400℃时保温。保温2小时后将2片规格为100×100×3mm的玻璃样品浸入熔融液中进行增强，6小时后取出、冷却、清洗、干燥，用表面应力仪检测每片样品的表面应力值，计算平均值，为511.3MPa。
本发明利用工业纯硝酸钾，通过提纯的方式达到与试剂纯硝酸钾纯度相同，其具体方法为：
采用一不锈钢容器，其外侧面安装有保温层和电加热器，其内底部设有多根多孔不锈钢管的搅拌装置，分批量加入工业纯硝酸钾粉末，加热至熔融温度使硝酸钾熔化成液体，其熔融温度为334℃；清除表面泡沫后，通过多孔不锈钢管通入压缩空气搅拌，继续升温到350～400℃时，停止加温，保温1～6小时；在硝酸钾完全熔化进入保温阶段后，首先浸泡所有不锈钢构件表面，浸泡时间随其保温时间1～6小时，在此期间，容器内壁表面形成了一层致密的表面钝化层，达到消除不锈钢构件表面对后续的硝酸钾提纯过程造成污染的目的；然后在保温的液体内加入提纯剂，提纯剂由三氧化二铝与碳酸钾粉末以1∶1比例组合而成，提纯剂的加入量为硝酸钾加入重量的2～8wt.％，搅拌0.25～4小时后，停止搅拌，澄清熔融液，直到容器内液体清澈见底，将上层清澈透明的液体转移到不锈钢成型模具中，冷却不锈钢模具直到液体凝固成型，翻转模具脱出具有特定形状的固体硝酸钾砖块，码放储存，不占容器，安全方便。
在具体操作中，由于其使用的容器容积不同，保温温度不同，保温时间不同，提纯剂加入量的不同，通过以下具体实施例对本发明的方法作进一步的说明：
实施例1：
取不锈钢容器容积为850mm×160mm×650mm，在底部设置2根多孔不锈钢管作为压缩空气搅拌器，在容器外侧面设置电加热器，电加热器选用石英管电加热器，加热器外侧是保温层，距容器上口60mm高度设置标记。
在不锈钢容器中装满粉末状工业纯硝酸钾原料，通电加热，加热至熔融温度334℃时，逐渐将全部硝酸钾粉末熔融成液体，随时补充工业纯硝酸钾原料，直到液面到达60mm标记处，记录装入硝酸钾的重量。
硝酸钾熔融液十分混浊，表面飘浮少量泡沫。首先用细密的不锈钢网捞出液面的泡沫，然后接通压缩空气强烈搅拌，在搅拌过程中，继续升温，直到350℃保温，保温时间1小时；在硝酸钾完全熔化进入保温阶段后，首先浸泡所有不锈钢构件表面，浸泡1小时后，在容器内壁表面形成了一层致密的表面钝化层，可以消除不锈钢构件表面对后续的硝酸钾提纯过程造成的污染。
在固定玻璃的不锈钢框架中放入一组15片规格为120×20×5mm的玻璃样品，一起放入硝酸钾熔融体中浸泡6小时。取出框架后冷却，清洗、干燥玻璃样品，用三点弯曲强度检测法检测每片样品的强度，计算平均强度。
按照2.0wt.％比例往硝酸钾熔融液中慢慢加入分析纯三氧化二铝和碳酸钾粉末，三氧化二铝和碳酸钾粉末以1∶1比例加入，搅拌0.25小时。停止搅拌，静置澄清。当硝酸钾熔融液变得清澈见底时，再次放入一组规格为120×20×5mm的15片玻璃样品按照相同工艺参数进行增强，检测强度，如果强度低于试剂纯硝酸钾增强样品的强度，继续加入提纯剂，重复搅拌和静置过程，直到平均强度达到或者超过试剂纯硝酸钾增强样品的强度。
表1：工业纯硝酸钾提纯前后的玻璃强度变化 硝酸钾纯度影响熔盐组成抗弯强度MPa 试剂纯KNO3(优级纯) 250.2 工业纯KNO3(工业纯) 77.5 提纯后的工业纯KNO3(工业纯)+1.0wt.％Al2O3+1.0wt.％K2CO3 257.0
把澄清的液体转移到家庭用不锈钢盆中，自然冷却，硝酸钾熔融液逐渐冷凝成固体，将不锈钢盆半浸在水槽中，加速冷却速度，随着温度降低，在边缘区域出现缝隙，在干净的木板上翻转模具，即可将硝酸钾固体“砖”块脱出。不锈钢盆重复使用，砖块码放整齐，储存备用。
重复这一过程直到取出容器中的大部分硝酸钾澄清液体。再次往容器中加入粉末状工业纯硝酸钾原料，重复上述提纯过程，直到提纯完所有的硝酸钾原料。
最后在容器底部剩余部分硝酸钾，含有大量杂质，不必取出，断电冷却，当硝酸钾固体温度下降到50℃左右时，用水将其溶解，取出排放。
由表1可以看出，本实施例的工业纯硝酸钾在提纯前后，对浸渍的玻璃产品抗弯强度的变化，原工业纯硝酸钾浸泡玻璃后，其玻璃的抗弯强度为77.5MPa；用试剂纯浸泡玻璃后，其玻璃的抗弯强度为250.2MPa；采用本发明的提纯方法提纯后的工业纯硝酸钾，其玻璃强度为257.0MPa；完全能够达到试剂纯的增强效果，可以用本发明的提纯方法提纯的工业纯硝酸钾替代价格昂贵的试剂纯。
实施例2：
不锈钢容器容积为900mm×300mm×800mm，在底部设置2根多孔不锈钢管作为压缩空气搅拌器，在容器外侧面设置石英管电热器，电热器外侧有保温层，距容器上口80mm高度设置标记。
在不锈钢容器中装满粉末状工业纯硝酸钾原料，通电加热，逐渐将全部硝酸钾粉末熔融成液体，随时补充工业纯硝酸钾原料，直到液面到达80mm标记处，记录装入硝酸钾的重量。
硝酸钾熔融液十分混浊，表面飘浮一些泡沫。首先用细密的不锈钢网捞出液面的泡沫，然后接通压缩空气强烈搅拌，在搅拌过程中，继续升温，直到400℃时停止加温，将其保温。保温时间2小时；在硝酸钾完全熔化进入保温阶段后，首先浸泡所有不锈钢构件表面，浸泡时间2小时，在容器内壁表面形成一层致密的表面钝化层，可以消除不锈钢构件表面对后续的硝酸钾提纯过程造成的污染。
在固定玻璃的不锈钢框架中放入两片规格为300×300×5mm的玻璃样品一起放入硝酸钾熔融体中浸泡6小时。然后离开熔液，冷却、清洗、干燥，用表面应力仪检测每片玻璃样品的表面压应力值，计算平均值。
按照4.0wt.％比例往硝酸钾熔融液中慢慢加入分析纯三氧化二铝和碳酸钾粉末，纯三氧化二铝和碳酸钾粉末以1∶1的比例加入，搅拌1小时。停止搅拌，静置澄清。当硝酸钾熔体变得清澈见底时，再次放入两片规格为300×300×5mm的玻璃样品浸泡6小时，取出后检测表面压应力值，如果表面应力值低于500Mpa，继续加入提纯剂重复搅拌和静置过程，直到玻璃表面压应力值超过500Mpa。
表2：工业纯硝酸钾提纯前后的增强能力 硝酸钾纯度影响熔盐组成表面压应力MPa 工业纯KNO3(工业纯) 210.3 提纯后的工业纯KNO3(工业纯)+2.0wt.％Al2O3+2.0wt.％K2CO3 517.7
把澄清的液体转移到日用不锈钢盆中，自然冷却，硝酸钾熔融液逐渐冷凝成固体，将不锈钢盆半浸在水槽中，加速冷却速度，随着温度降低，在边缘区域出现缝隙，在干净的木板上翻转模，即可将硝酸钾固体“砖”块脱出。不锈钢盆重复使用，砖块码放整齐，储存备用。
重复这一过程直到取出容器中的大部分硝酸钾澄清液体。再次往容器中加入粉末状工业纯硝酸钾原料，重复上述提纯过程，直到提纯完所有的硝酸钾原料。
最后在容器底部剩余部分硝酸钾，含有大量杂质，不必取出，断电冷却，当硝酸钾固体温度下降到50℃左右时，用水将其溶解，取出排放。
由表2可以看出，本实施例的工业纯硝酸钾在提纯前后，对浸渍的玻璃产品表面压应力的变化，原工业纯硝酸钾浸泡玻璃后，其玻璃的表面压应力为210.3MPa；采用本发明的提纯方法提纯后的工业纯硝酸钾，其玻璃表面压应力为517.7MPa。
实施例3
不锈钢容器容积为2300mm×1100mm×1700mm，在底部设置4根多孔不锈钢管作为压缩空气搅拌器，在容器外侧设置石英管电加热器和保温层，距容器上口200mm高度设置标记。
在不锈钢容器中装满粉末状工业纯硝酸钾原料，通电加热，逐渐将全部硝酸钾粉末熔融成液体，随时补充工业纯硝酸钾原料，直到液面到达200mm标记处，记录装入硝酸钾的重量。
硝酸钾熔融液十分混浊，表面飘浮大量泡沫。首先用细密的不锈钢网捞出液面的泡沫，然后接通压缩空气搅拌，在搅拌过程中，继续升温，直到380℃保温，保温时间6小时；在硝酸钾完全熔化进入保温阶段后，首先浸泡所有不锈钢构件表面，浸泡时间6小时，形成致密的表面钝化层，以达到消除不锈钢构件表面对后续的硝酸钾提纯过程造成污染的目的。
将固定玻璃的不锈钢框架、夹具和两片规格为1800×1200×6mm的玻璃样品一起放入硝酸钾熔融体中浸泡6小时。然后离开熔液，冷却、清洗、干燥，用表面应力仪检测每片玻璃样品的表面压应力值，计算平均值。
按照8.0wt.％比例往硝酸钾熔体中慢慢加入分析纯三氧化二铝和碳酸钾粉末，三氧化二铝和碳酸钾粉末以1∶1比例加入，搅拌4小时。停止搅拌，静置澄清。当硝酸钾熔体变得清澈见底时，再次放入两片规格为1800×1200×6mm的玻璃样品浸泡16小时。取出后检测表面压应力值，如果表面应力值低于500Mpa，继续加入提纯剂重复搅拌和静置过程，直到超过500Mpa。
表3：工业纯硝酸钾提纯前后的增强能力 硝酸钾纯度影响熔盐组成表面压应力MPa 工业纯KNO3(工业纯) 181.9 提纯后的工业纯KNO3(工业纯)+4.0wt.％Al2O3+4.0wt.％K2CO3 526.4
把澄清的液体转移到不锈钢模具中，用电风扇吹风加速冷却，硝酸钾熔融液逐渐冷凝成固体，随着温度降低，在边缘区域出现缝隙，在干净的不锈钢板上翻转模具，即可将硝酸钾固体“砖”块脱出。模具继续使用，不锈钢砖块码放整齐，储存备用。
重复这一过程直到取出容器中的大部分硝酸钾澄清液体。再次往容器中加入粉末状工业纯硝酸钾原料，重复上述提纯过程，直到提纯完所有的硝酸钾原料。
最后在容器底部剩余部分硝酸钾，含有大量杂质，不必取出，断电冷却，当硝酸钾固体温度下降到50℃左右时，用水将其溶解，取出排放。
由表3可以看出，本实施例的工业纯硝酸钾在提纯前后，对浸渍的玻璃产品表面压应力的变化，原工业纯硝酸钾浸泡玻璃后，其玻璃的表面压应力为181.9MPa；采用本发明的提纯方法提纯后的工业纯硝酸钾，其玻璃表面压应力为526.4MPa。
根据表1、表2、表3可以看出工业纯硝酸钾经过本发明方法提纯前后，由于其工业纯硝酸钾的纯度增加了，对玻璃的增强能力发生变化，抗弯强度从提纯前的177.5Mpa到提纯后的257.0Mpa，超过了试剂纯的250.2Mpa；表面压应力也分别从提纯前的181.9Mpa和210.3MPa到提纯后的517.7Mpa和526.4Mpa。达到了试剂纯硝酸钾的纯度，本发明提纯的工业纯硝酸钾完全可以替代价格昂贵的试剂纯硝酸钾。