一里坪鹵水蒸發過程固相夾濕率及物料平衡*

崔香梅，劉海寧，溫現明（.中國科學院鹽湖資源與化學重點實驗室，中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧80008；2.青海大學化工學院）

一里坪鹵水蒸發過程固相夾濕率及物料平衡*

崔香梅1，2，劉海寧1，溫現明1
（1.中國科學院鹽湖資源與化學重點實驗室，中國科學院青海鹽湖研究所，青海西寧810008；2.青海大學化工學院）

研究了富硼鋰的青海一里坪鹽湖鹵水自然蒸發過程的固相夾濕率和物料平衡，計算了各分離階段和蒸發全程的蒸水率、析鹽率、成鹵率，分析了整個蒸發過程物料守恒情況。結果表明，各個分離階段的蒸水率、析鹽率和成鹵率三者之和均接近100%，整個蒸發過程物料守恒。固相夾濕率呈現的規律性與結晶鹽類型及特征有關。本文可為鹽湖鹵水蒸發過程析出混合固相的組成分析計算、精確配鹽以及固、液相中硼、鋰等有益組分的分布及流失評估提供依據。

一里坪；鹽湖鹵水；蒸發結晶；物料恒算；固相夾濕率

鹽田自然蒸發是鹽湖鹵水資源綜合利用不可或缺的重要基礎環節。筆者在以往研究［1-2］中發現，鹵水蒸發結晶過程的物料平衡及固相夾濕率（即液相在濕固相中的夾帶比率）的研究對于鹽田蒸發過程物料流失評估及調控、析出固相混合物組成的精確配鹽以及有益元素分離提取原料的優化十分重要。柴達木盆地是鹽湖鹵水資源集中分布區，其中一里坪是該盆地六大干鹽湖之一，晶間鹵水化學分類屬MgSO4亞型，資源儲量大、開發利用價值高［3-4］。自20世紀中期至今，地質、化學、化工等多領域研究人員進行了大量的勘探和科學研究工作［5-10］，其資源儲量評估、鹽類結晶路線等問題已基本明確。2010年，中國五礦集團獲得一里坪鹽湖鹵水開發的采礦權后，其引進德國先進高效多級濃縮鋰鎂分離技術逐步開展一里坪鹽湖鋰硼鉀資源綜合利用項目［11］。本文以一里坪鹽湖晶間鹵水為例，核算其蒸發結晶過程的物料平衡和固相夾濕率，旨在為鹵水資源綜合利用過程避免資源損失和組分的高效利用提供基礎數據。

1　實驗

1.1儀器與試劑

儀器:X′Pert PRO型X射線粉末衍射儀，工作條件:電壓為40 kV，電流為40 mA，線焦點，Cu靶Kα輻射，Ni濾波，波長為0.154 06 nm；iCAP6500 DUO型全譜直讀等離子體光譜儀（ICP-OES），工作條件:霧化器流量為0.55 L/min，輔助氣流量為0.50 L/min，泵速為50 r/min，等離子觀測方式為垂直；PB-10型復合電極數顯酸度計；BSA124S-CW型電子天平。

試劑:主要試劑均為市售分析純試劑和標準試劑，水為煮沸的二次蒸餾水。

1.2實驗方法

蒸發實驗，稱取20 kg一里坪鹽湖晶間鹵水，采用紅外燈模擬日照，電風扇代替自然風進行室內自然蒸發實驗。根據鹵水蒸發率和析出鹽晶體特征，采用傾倒法真空抽濾適時進行固液相分離。

組分分析，鹵水中組分含量按照文獻［12］方法測定:Mg2+、Ca2+采用EDTA容量法；Cl-采用摩爾法；K+采用四苯硼鈉-季胺鹽容量法；硼采用甘露醇法；SO42-采用聯苯胺容量法；Li+采用ICP-OES法；Na+采用差減法計算。

2　結果與討論

2.1固相夾濕率計算

固相夾濕率（以BER表示，單位為%），即液相在濕固相中的夾帶比率，其計算對于固相組分的精確配鹽、定量分析元素損失等具有重要意義。另外，固相夾濕率也可作為鹽田曬鹽物料衡算的輔助數據。

BER可以通過固液相分離時濕固相質量和放置一段時間后所得干固相的質量差，結合液相密度和各組分含量計算。

假設，①鹵水中有n個組分（1，2…，n），且濃度為Ci（C1，C2，…，Cn）；②固液相分離時液相的密度為ρ（ρ1，ρ2，…，ρn）；③夾帶母液體積為VE；④濕固體與干固體質量差為mwet-mdry；⑤夾帶母液的質量為mE。則，

聯立方程式（1）、（2）、（3），可得mE和VE，進而計算BER的公式如下:

根據一里坪鹽湖晶間鹵水蒸發過程的各次分離階段析出的固相（表1）和各分離點上液相組成含量（表2），按照上述公式計算，分別獲得固相配鹽結果［13］（表3）和各次分離固相夾濕率值（表4）。

表1　固相XRD檢測結果

表2　蒸發過程固液相組分變化

表3　蒸發過程析出固相的配鹽結果　%

表4　一里坪鹽湖鹵水室內變溫蒸發過程固相夾濕率

2.2鹽類結晶分段及固相夾濕率的對應

由表3可知，一里坪鹽湖晶間鹵水室內自然蒸發結晶過程可分為3個結晶階段（見表中不同下劃線標注）。第一結晶段為石鹽結晶段（以間斷下劃線標注）:包括第一至五分離段，主要鹽類為NaCl，伴隨少量CaSO4·2H2O；第二結晶段為鉀混鹽結晶段（實線標注）:包括第六至八分離段，主要鹽類有KCl 和KCl·MgCl2·6H2O；第三結晶段為鎂鹽結晶階段（波浪線標注）:涵蓋了第八次及其后續分離階段，主要鹽類有MgSO4·4H2O、MgSO4·5H2O和MgCl2· 6H2O。

由表4可觀察到，固相夾濕率呈現較明顯的層次分布，第一至三次分離固相的夾濕率基本相同，第四至六次分離固相的夾濕率則稍有增大且基本處于同一數量段，第七和八次分離固相的夾濕率則出現相對較高值。而第九和第十次分離固相，因吸濕性強的水氯鎂石（MgCl2·6H2O）含量高而導致出現嚴重的潮解現象，無法通過本方法計算其夾濕率。

對比表4和表3結果可見，固相夾濕率的分布層次與鹽類結晶段基本一致。因此，本文推測，鹽晶體種類是固相夾濕率的主要影響因素。

此外，計算鹽湖鹵水中析出鹽類的固相夾濕率，應注意濕固相稱樣量與晾曬控制:稱樣量越大，計算誤差相對越小；固體薄層均勻攤曬有利于水分去除，且以剛好晾曬除吸附水為宜。影響鹽類夾濕率的主要因素為析出鹽的種類及對應液相性質，不含結晶水鹽類比含結晶水鹽類夾帶母液少；低密度、低黏度鹵水中析出鹽類夾帶的母液量相對少。

2.3蒸發過程的物料平衡

借鑒文獻［14］所述的全程成鹵率概念及計算方法，采用質量計量，本文研究體系各分離階段的蒸水率、析鹽率和成鹵率。計算如下:蒸水率=蒸水量/進鹵量、析鹽率=析鹽量/進鹵量、成鹵率=母液量/進鹵量。

表5　蒸發各分離階段物料平衡關系

蒸發各分離階段物料平衡關系見表5。由表5可知，蒸水率、析鹽率和成鹵率三者在各個階段的總和均等于或接近100%，只有第八和十次分離的三者之和偏離較遠，一里坪鹽湖晶間鹵水室內自然蒸發過程各分離階段物料守恒情況良好。聯合表5蒸水率、析鹽率及成鹵率數據和表1鹽類結晶種類情況分析，初步認為，蒸水率、析鹽率及成鹵率通常受到蒸發速率、大氣中水蒸氣壓及各相分離階段鹵水組成及析出鹽類的類型的影響。就蒸發全程的蒸水率、析鹽率、成鹵率的總和而言，其誤差可能是蒸發過程中的化學分析樣品制取及固液分離過程的損失和實驗過程的分析測試誤差等因素的綜合作用。

3　結論

1）提出鹽湖鹵水蒸發過程固相夾濕率計算方法，獲得一里坪鹽湖晶間鹵水蒸發過程中析出固相的夾濕率，發現固相夾濕率的分布層次呈現與鹽類結晶分段基本一致的規律性。初步認為，鹽晶體種類和對應液相性質是影響固相夾濕率的主要因素。2）通過蒸發全程及各固液分離段蒸水率、析鹽率、成鹵率及物料平衡計算，獲知一里坪鹽湖鹵水室內自然蒸發全程的物料平衡情況較好。

［1］崔香梅，董亞萍，乃學瑛，等.硼在油田鹵水蒸發過程中的特殊結晶行為研究［J］.無機化學學報，2009，25（8）:1434-1438.

［2］崔香梅，董亞萍，吳志堅，等.濃縮油田水中“鏤空”形貌復鹽的析出及其鑒定［J］.無機化學學報，2008，24（1）:73-77.

［3］曹文虎，吳蟬.鹵水資源及其綜合利用技術［M］.北京:地質出版社，2004:116-121.

［4］鄭喜玉，張明剛，許昶，等.中國鹽湖志［M］.北京:科學出版社，2002:162-163.

［5］陳敬清，劉子琴，房春暉.鹽湖鹵水的蒸發結晶過程［J］.鹽湖研究，1994，2（1）:43-51.

［6］黃師強.論青海一里坪鹽湖鹵水鋰及硼鉀鎂資源開發［J］.新疆有色金屬，2001（S1）:23-25.

［7］李俊德，石天成，王英孝，等.一里坪礦區鹵水自然蒸發試驗研究［J］.鹽湖研究，2008，16（4）:32-36，65.

［8］CuiXiangmei，WuZhiming，WenXianming，etal.Simulateddynamic evaporation of Yiliping salt lake brine［J］.Acta Geologica Sinica，2014，88（S1）:305-306.

［9］楊春節，張大義，汪全義，等.一里坪鹽湖冬季鹵水自然蒸發試驗研究［J］.化工礦物與加工，2014，43（12）:29-31.

［10］李建國，余明祥，于雪峰，等.一里坪鹽湖鹵水蒸發過程相圖分析及計算［J］.鹽業與化工，2011，40（5）:40-43.

［11］張大義，王敏.一里坪鹽湖綜合開發利用項目有序進行［J］.鹽湖研究，2013，21（2）:65.

［12］中國科學院青海鹽湖研究所.鹵水和鹽的分析方法［M］.2版.北京:科學出版社，1988:42-64.

［13］何法明，劉世昌，白崇慶，等.鹽類礦物鑒定工作方法手冊［M］.北京:化學工業出版社，1988:62-64.

［14］唐娜，邢承飛，齊偉，等.日曬海鹽生產中鹵水深度對成鹵影響的研究［J］.鹽業與化工，2012，41（3）:29-31.

聯系方式：cuixiangmei1208@163.com

Brine entrainment rate and material balance of Yiliping salt brine evaporation

Cui Xiangmei1，2，Liu Haining1，Wen Xianming1
（1.Key Laboratory of Salt Lake Resources and Chemistry，Qinghai Institute of Salt Lake，Chinese A cademy of Sciences，Xining 810008，China；2.School of Chemical Engineering，Qinghai University）

The material balance and the brine entrainment rate of the natural evaporation process of Yiliping salt brine in Qinghai were calculated.The calculation results of the water evaporation rate，the salt precipitation rate，and the brine forming rate（their total percents near to 100%）indicated that the material balance of the whole evaporation kept well.The regularity of brine entrainment rate might be correlated to the types of precipitated salts in different crystallization sequence of the evaporation.This study may provide basic fundamentals for the precise calculation of solid samples and salt matching and evaluation of the distribution and loss of the precious components like lithium and boron during salt brine evaporation.

Yiliping；salt lake brine；evaporation and crystallization；material balance；brine entrainment rate

TS312

A

1006-4990（2016）07-0033-03

中國科學院鹽湖資源與化學重點實驗室開放基金（KLSLRC-KF-13-HX-7）；青海省科技廳項目（2014-ZJ-932Q）。

2016-01-15

崔香梅（1980—），女，博士，副教授，從事鹽湖鹵水資源分離利用化學化工基礎研究，已發表論文14篇。