钾矿成矿模式研究现状论文

赵恒勤 马华龙 胡宏杰 张克仁

（国家非金属矿资源综合利用工程技术研究中心，河南 郑州 450006；中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所，河南 郑州 450006）

摘要 介绍了国内外不溶性含钾岩石的基本特征和综合开发情况，建议通过综合利用模式开发利用。 不溶性含钾岩石在我国广泛分布，随着可利用含钾资源愈加紧张，对大量赋存的不溶性含钾岩石的价值挖掘和开发利用越来越引起人们的重视。结合对不溶性含钾岩石多年的研究实践，对不溶性含钾岩石的特点、潜在价值、开发利用状况进行了一些分析比较，供开发利用时参考［1～6］。

关键词 不溶性含钾岩石；基本特征；潜在价值；开发利用。

第一作者简介：赵恒勤，研究员，从事矿产资源的综合利用开发和化工新材料研究。

一、我国不溶性含钾岩石的类型和分布特点

不溶性含钾岩石在我国广泛存在，几乎在每个省份都有分布。按所含的主体矿物来划分主要包括以下几种类型：霞石、绿豆岩、钾长石、含钾砂质页岩。

1）霞石（Nepheline）：是一种含钾的铝硅酸盐矿物，化学式为（Na，K）2O·Al2O3·（2 ＋n） SiO2，n＝0～0.2，在不溶性含钾岩石中算含硅量相对较少的矿物。云南个旧、陕西平利、新疆拜城等地有较大的典型矿床，其中云南个旧矿床储量达30×108t以上。

2）绿豆岩（Potassium-bearing tuff）：是一种富含钾的火山凝灰岩，其化学成分为K2O·Al2O3·10SiO2，在不溶性含钾岩石中属于含钾较高的一种矿石类型。主要分布在四川、陕西。四川绿豆岩一般产于中三叠统雷口坡组下部，常作为白云岩或膏盐层底板。可分两种类型，一是富钾凝灰岩，主要分布在四川东北地区，据开县岩石成分分析，K2O含量高，一般为9.8%～12.05%，平均10.9%；另一种为水云母化凝灰岩，主要分布在川南、川西南，多为火山碎屑岩受强烈水云母化形成的，以水云母为主，该类岩石还含钾水云母粘土岩，一般品位偏低，威远县岩石化学分析 K2O 为 5.60%～7.46%，品位、厚度变化较稳定。

3）钾长石（Potash feldspar）：也是一种典型的铝硅酸盐矿物，其化学式为（Na，K）2O·Al2O3·6SiO2，是含硅较高的含钾矿物，化学稳定性强，很难溶解于酸碱。根据已有的调查，以钾长石为代表的含钾岩石K2O含量在8%～15%之间，平均为10%，几乎遍及全国各地，地质储量估计上千亿吨。

4）含钾砂质页岩（Potassium-bearing sandy shale）：是一种混合型不溶性含钾岩石，K2O含量一般在4%～15%之间。多数成矿区带的矿物组成一般以钾长石伴生海绿石为主要特征，在河南、陕西、内蒙古等地都有大型矿床发现，储量巨大。

二、我国不溶性含钾岩石的资源价值及其开发利用的意义

（一）不溶性含钾岩石是我国重要的含钾资源

我国是一个钾盐严重短缺的国家，每年都要从国外进口大量钾肥，2005年全国钾肥进口883×104t，占世界贸易量的19.9%，为全球第二大进口国。作为世界上一个农业大国，由于钾肥短缺，基本化肥氮磷钾肥比例长期失调，氮钾肥比例长期徘徊在1∶0.2以下，低于世界平均水平1∶0.30。我国钾肥长期不能自给已经成为农业发展的一大障碍，钾盐对国外资源的依赖程度已达90%，可利用钾盐已成为我国紧缺的非金属矿产之一。造成这种局面的主要原因在于我国可利用的钾盐资源即水溶性钾盐资源很少，而且分布很不均匀，95%以上分布在西部地区。因此今后除了加强在地质工作中继续寻找水溶性钾盐资源外，开发利用大量存在的不溶性含钾岩石已成为我国经济发展中的一件大事。

（二）不溶性含钾岩石也是我国重要的替代铝资源

根据国土资源部和我国最大的氧化铝生产商中国铝业公司的统计，我国目前铝土矿的资源保障年限大约10年，这与有色金属行业通常要求的50年以上的资源保障要求有很大的差距。非铝土矿铝资源在我国有很广泛的分布，从地壳中平均含氧化铝约17%就可以看出其储量非凡。问题的关键在于如何找到经济可行的技术来利用这些大量存在的非铝土矿替代铝资源。含钾岩石作为一种铝硅酸盐矿物，是非铝土矿未来替代铝资源的备选矿种，若能解决其作为替代铝资源的技术难题，将会为我国开发利用非铝土矿替代铝资源如粘土、钠长石、明矾石等资源的利用树立典范，为铝工业的健康发展提供有力的资源保障。

（三）不溶性含钾岩石也是我国重要的硅肥资源

开展不溶性含钾岩石的综合利用研究有助于开辟硅肥生产新的资源来源，为提升我国大量赋存的铝硅酸盐类资源的价值提供技术保障。

含钾岩石中含有60%以上的二氧化硅，然而由于其可溶性差，有效硅含量低，直接作为硅肥的肥效较差。硅肥作为20世纪末新开发的一种化肥，被国际土壤界认为是继氮、磷、钾之后第四种植物营养元素。硅肥是一种含酸钙为主的可溶性矿物肥料，具有无毒、无味、无腐蚀、不易流失等特性，广泛施用于水稻、小麦、玉米、棉花、花生、油菜、甘蔗、果蔬等作物。农作物所需的硅大都是由土壤提供的，但土壤中能被植物吸收的硅却很少。有关部门的勘查表明，我国长江流域70%的土壤缺硅，黄河、淮海及胶东半岛地区约有一半的土壤缺硅，而且缺硅的区域正在逐渐扩大。硅作为农作物生长所需要的重要营养元素，农作物吸收硅后能促进根系生长发育，提高抗倒伏、抗病虫害、抗旱、抗寒和养分吸收的能力，并能够改善农作物的品质，符合现代“绿色食品”发展的要求。因此，如果能在综合利用提钾的工艺技术中兼顾考虑所含的硅作为长效硅肥原料的来源，将有助于开辟我国硅肥生产新的资源来源。目前中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所正在开展林州含钾页岩的综合利用研究，以期获得钾盐、氢氧化铝和硅肥，实现其综合利用。

三、不溶性含钾岩石资源研发状况

（一）国外不溶性含钾岩石资源研发状况

对于不溶性含钾岩石，国外相关的研究开发只在少数国家进行，比较典型的是前苏联。

在前苏联，由于铝土矿资源相对匮乏，有部分氧化铝厂以含钾页岩为原料来生产氧化铝，并综合利用回收钾，而且已有工业化生产厂。比较典型的企业有皮卡列夫铝厂，以含钾岩石霞石为原料，生产氧化铝，副产碳酸钾、碳酸钠；基洛沃巴德铝厂，以明矾石为原料，生产氧化铝，副产硫酸、硫酸钾和五氧化二钒。前者采用碱法，后者采用酸法。他们的研究和产业化技术都以提取氧化铝为主线，兼顾回收钾盐，残渣则作为建筑材料辅料或直接作为建筑材料及其原料。

对于含钾页岩中最难处理的钾长石的综合利用研究，国外矿石由于含铁低，钾长石矿物纯度相对较高，矿物嵌布关系简单，多经过简单选矿除铁以后作为优质钾长石原料用作陶瓷、玻璃原料。对于化工综合处理尚没有成熟的技术可以借鉴。

（二）国内不溶性含钾岩石资源研发状况

国内针对含钾岩石的研究始于20世纪60年代，以运用云南霞石进行的研究较为典型，所采用的工艺包括水化学法和烧结法，目前已有投资人在云南计划投资进行工业实践。

针对不溶性含钾岩石（以下称含钾岩石）的研究开发技术，国内的研究归纳起来有以下几种方法。

1）以钾长石等为主的含钾岩石矿经选矿作为陶瓷、玻璃原料，这在国内已有成熟的工业实践。一般要求原矿石嵌布关系简单，钾长石矿物纯度好，易于选矿除杂。对于复杂嵌布关系的矿，由于选矿除杂效果差，一般不适用。中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所曾对国内一些不溶性含钾岩石矿进行过选矿试验研究，主要针对钾长石矿进行，目的在于降低矿石中的含铁杂质，以满足玻璃、陶瓷生产原料的需要。

2）利用窑灰挥发法回收利用钾。此方法的实质在于用含钾岩石作为水泥原料，在高温下部分氧化钾挥发出来富集在窑灰中，进而通过窑灰回收钾。由于受挥发率的限制，钾的回收率较低。

3）食盐钠化焙烧法。此工艺的实质在于利用钠离子很好的渗透性和氯根的化学活动性，在高温下破坏含钾岩石稳定的化学结构，从而将钾转化为可溶性的氯化钾。该方法的缺陷在于回收率低，设备腐蚀严重，环境污染大，目前难于产业化。

4）酸法处理含钾岩石。该工艺的实质在于通过加温酸解来破坏含钾岩石的结构。由此法衍生的工艺包括HCl法、H2SO4法、硝酸法、硫酸铵焙烧法、水明矾法、碱式硫酸铝法等，发表的专利很多。但由于终端产品结构简单、价值较低，加上酸再生困难，设备腐蚀严重，环境治理成本较高，因而难于实现工业化。

5）细菌解钾法。该工艺采用细菌对硅矿物溶蚀，从而破坏钾长石的结构而得到可溶性钾。目前，广泛应用的菌种主要是硅酸盐细菌。硅酸盐细菌对不同晶体结构的矿物具有明显不同的解钾效果。相比之下，硅酸盐细菌对伊利石（钾赋存于层间域中）的解钾效果明显强于对钾长石（钾赋存于结构间隙中）的解钾作用。在有多种矿物共存的条件下，细菌会因矿物晶体结构的不同，在作用强弱或快慢上表现出明显的差异，从而对不同类型的矿物产生不同程度的破坏作用。硅酸盐细菌对矿物的这种破坏作用因矿物产地、矿物结晶程度、伴生矿物状况而有所区别。该工艺随着生物技术的发展应是一个较好的方法，但在目前限于细菌培育成本较高，产业化前景不大。页岩的综合利用研究有助于挖掘非溶性钾盐资源的经济价值，缓解我国水溶性钾盐资源不足的局面，开辟我国钾盐/钾肥生产的新资源和新技术，对保障和提高河南省乃至我国农业可用钾资源储量有重要的科学技术意义。

图1 不溶性含钾岩石烧结法综合利用工艺流程

6）碱法处理含钾岩石。碱法包括高温水化学法、石灰烧结法、碱石灰烧结法和衍生出来的其他碱法流程。该工艺的实质在于或者在高温高碱的水体系中，或者在高温石灰等存在下，使铝变为可溶性的铝酸钠、铝酸钾、铝酸钙，让硅转化为硅酸钙，从而回收铝钾，残渣则用做建筑原料或者生产硅肥。该法的最大特点在于可以很好地实现综合利用，设备较简单，容易闭路循环，环境污染很小。该法的另一个特点在于采用碱法工艺，生产回收的钾以价值相对较高的碳酸钾和氢氧化钾的形式存在，铝则以价值较高的化学品氧化铝，如水铝石、活性氧化铝、易溶氧化铝、超白超细氧化铝等形式存在，硅以硅肥或建筑材料等用量很大的存在方式存在，这给含钾岩石的开发利用走向工业化奠定了很好的市场经济基础。中国地质科学院郑州矿产综合利用研究所已对山西紫金山矿、山东钾长石矿进行过研究，钾的综合收率达到70%以上，氧化铝综合收率达到65%，残渣全部用作水泥原料。该项目已获得国土资源部科技进步奖。在该法的基础上，2003年国内有关科研单位对包头富钾板岩进行的研究表明，碱法仍然是目前最好的处理含钾岩石的工艺方法。图1、图2给出了这两种碱法工艺处理含钾岩石的典型工艺图。

图2 高压水化法工艺流程

四、开发利用建议

1）根据目前国内外针对含钾岩石的研究状况，我国今后在含钾岩石的开发利用方面应着眼于工艺技术路线和最终产品设计。在技术路线上，应朝着工艺简单、易行、经济合理的方向进行。在最终产品设计上，应本着既能最大限度提取有用成分钾、铝，并能对找到残余物硅的用途的原则，同时又要本着钾和铝产品价值最大化的原则，而对硅产品的选择应本着使用量大的原则。只有这样，才能充分挖掘含钾页岩的价值，并真正实用化。

2）国家或有关省份应集中研发力量针对交通、水电等以及开采条件比较好的矿区进行优先开发，兼顾周边地区的工业现状，选择既有资源又靠近具有较大水泥市场或者农用肥料市场的区域开发含钾岩石，这样才能从一开始就走向良性循环。

参考文献

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An Analysis on the Research and development Status Quo of Resources of Insoluble Potassium-bearing Ore

Zhao Hengqin，Ma Hualong，Hu Hongjie，Zhang Keren

（China National Engineering Center for the Multipurpose Utilization of Nonmetallic Mineral Resources；Zhengzhou Minerals Resources Multipurpose Utilization Institute，CAGS，Zhengzhou 450006，Henan，China）

Abstract：Some characteristics of insoluble potassium-bearing ore were introduced.The technology and methods for their comprehensive development were also reviewed simultaneously with corresponding research practices.Some suggestions on comprehensive development and utilization of resources were put forward.

Key words：Potassium-bearing ore，Analysis.