正交法优化锂云母中钾的提取条件

汤洪波，周 健，梅光泉

(1.宜春学院 江西省高等学校应用化学与化学生物学重点实验室，江西 宜春 336000；2.宜春学院 江西省天然药物活性成分研究重点实验室，江西 宜春 336000)

锂云母是钾和锂的基性铝硅酸盐，是最常见的锂矿物，也是提炼钾的重要矿物。我国锂矿资源丰富，以目前我国的锂盐产量计算，仅江西锂矿就可供开采上百年。宜春钽铌矿是世界上最大的锂矿，产量占全国的22.5%。

钾是锂云母矿中重要的金属，和锂同为第一主族的碱金属元素，具有较为相似的性质[1，2]，宜春锂云母精矿中Li2O、K2O的含量分别为4.50%和8.60%[3]，在用硫酸处理锂云母的溶出过程中，钾同锂一道溶出，因此必须研究钾的溶出行为，以便在设计溶出工艺时综合考虑钾的回收，提高资源的综合利用率。

作者采用正交法研究了用硫酸处理锂云母的浸取反应[4]过程中相关因素对钾的溶出行为的影响，优化了钾的提取条件，以进一步完善从锂云母中溶出钾的工艺[5]。

1 实验

1.1 材料、试剂与仪器

锂云母(粒度150～180 μm)，宜春。

氯化钾(KCl)、氯化铯(CsCl)，优级纯，阿拉丁公司；浓硫酸(分析纯)、硝酸、盐酸，优级纯，南昌鑫光精细化工厂；配制试剂用水为超纯水。

TAS-990型原子吸收光谱仪，北京普析通用仪器有限公司；钾空心阴极灯，北京君睿科技有限公司；电动搅拌机，江苏江阴市周庄电器五金厂；MH-1000型调温型电热套，北京科伟永兴仪器有限公司；BS223S型电子天平(精密度0.0001 g)，江西华科精密仪器有限公司。

1.2 溶液的配制

1.2.1 1% CsCl溶液的配制

称取0.5000 g CsCl固体，置于50 mL烧杯中，用10 mL水溶解后，移入50 mL容量瓶中，用水稀释至刻度，混匀，即得1% CsCl溶液。

1.2.2 钾标准溶液配制

准确称取经105～120 ℃干燥处理的KCl固体0.1583 g，溶于1 mL盐酸中，用超纯水定容至100 mL，混匀，储于聚乙烯容量瓶中，得1 mg·mL-1的K2O溶液，即钾标准贮存液。在50 mL的聚乙烯容量瓶中分别准确移入钾标准贮存液0 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL，各加入2.00 mL HNO3和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超纯水稀释至刻度定容，混匀，即得K2O浓度分别为0 μg·mL-1、1 μg·mL-1、2 μg·mL-1、4 μg·mL-1、6 μg·mL-1、8 μg·mL-1的钾标准溶液。

1.3 方法

称取锂云母粉100 g置于蒸馏烧瓶中，加入一定量的浓硫酸和水，在110～120 ℃搅拌回流反应一定时间，得含钾的硫酸溶液。反应结束后，过滤，移取10 mL滤液于100 mL容量瓶中，用超纯水稀释至刻度定容，混匀，得样品贮存液。再精确移取0.33 mL样品贮存液于聚乙烯容量瓶中，加入2.00 mL HNO3溶液和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超纯水稀释至刻度定容，混匀，得含钾的样品液。采用火焰原子吸收光谱法测样品液中K2O的量。

1.4 正交实验设计

为了优化从锂云母中溶出钾的工艺，以每100 g锂云母提取K2O的量为指标，以硫酸质量分数、反应时间、液固质量比为考察因素，每个因素设3个水平，且不考虑各因素的相互作用，设计L9(34)正交实验[5，6]，如表1所示。

表1 正交实验因素与水平

1.5 火焰原子吸收光谱仪工作条件(表2)

表2 火焰原子吸收光谱仪工作条件

2 结果与讨论

2.1 K2O标准曲线绘制

以火焰原子吸收光谱仪测定钾标准溶液的吸光度，结果见表3。以吸光度(A)对K2O浓度(c)作图，拟合线性回归方程为：A=0.3445c+0.2774(R2=0.9517)。

表3 钾标准溶液的吸光度

2.2 正交实验结果与分析(表4)

表4 正交实验结果与分析

由表4可知，各因素对从锂云母中提取钾的影响大小依次为：反应时间>硫酸质量分数>液固质量比，锂云母中钾的最佳提取条件为A1B3C2，即硫酸质量分数为40%、反应时间为8 h、液固质量比为2.5∶1(g∶g)。

2.3 讨论

(1)在配制钾标准溶液时，由于移取不同体积的钾标准贮存液时使用了不同体积和规格的移液管，产生了偏差，导致绘制的K2O标准曲线的相关性(R2=0.9517)不是很好，但影响不大，可忽略不计。

(2)用浓硫酸对锂云母进行回流浸取后，得到的含钾的硫酸溶液中含较多不溶性杂质，须采用过滤法去除杂质。

3 结论

以100 g锂云母提取K2O的量为指标，采用火焰原子吸收光谱进行检测，考察硫酸质量分数、反应时间和液固质量比3个主要因素对从锂云母中溶出钾的影响。通过正交实验确定锂云母中钾的最佳提取条件为：硫酸质量分数40%、反应时间8 h、液固质量比2.5∶1(g∶g)。

[1] 曹锡章，宋天佑，王杏乔.无机化学[M].北京:高等教育出版社，1985：121-123.

[2] 汪贻水，彭觥.六十四种有色金属[M].长沙:中南工业大学出版社，1998：58-65.

[3] 王文祥，黄际芬，刘志宏.联合压煮法处理宜春锂云母时钾的溶出行为[J].江西冶金，2001，21(2):25-26.

[4] 乔玲，周本华，姚成.锂云母中提取锂的方法初步研究[J].无机盐工业，2004，36(4):30-31.

[5] 徐鑫，张学兰，唐超.正交法优选炒菟丝子的最佳炮制工艺[J].中成药，2011，33(2):359-361.