一里坪卤水蒸发过程固相夹湿率及物料平衡*

崔香梅，刘海宁，温现明（.中国科学院盐湖资源与化学重点实验室，中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁80008；2.青海大学化工学院）

一里坪卤水蒸发过程固相夹湿率及物料平衡*

崔香梅1，2，刘海宁1，温现明1
（1.中国科学院盐湖资源与化学重点实验室，中国科学院青海盐湖研究所，青海西宁810008；2.青海大学化工学院）

研究了富硼锂的青海一里坪盐湖卤水自然蒸发过程的固相夹湿率和物料平衡，计算了各分离阶段和蒸发全程的蒸水率、析盐率、成卤率，分析了整个蒸发过程物料守恒情况。结果表明，各个分离阶段的蒸水率、析盐率和成卤率三者之和均接近100%，整个蒸发过程物料守恒。固相夹湿率呈现的规律性与结晶盐类型及特征有关。本文可为盐湖卤水蒸发过程析出混合固相的组成分析计算、精确配盐以及固、液相中硼、锂等有益组分的分布及流失评估提供依据。

一里坪；盐湖卤水；蒸发结晶；物料恒算；固相夹湿率

盐田自然蒸发是盐湖卤水资源综合利用不可或缺的重要基础环节。笔者在以往研究［1-2］中发现，卤水蒸发结晶过程的物料平衡及固相夹湿率（即液相在湿固相中的夹带比率）的研究对于盐田蒸发过程物料流失评估及调控、析出固相混合物组成的精确配盐以及有益元素分离提取原料的优化十分重要。柴达木盆地是盐湖卤水资源集中分布区，其中一里坪是该盆地六大干盐湖之一，晶间卤水化学分类属MgSO4亚型，资源储量大、开发利用价值高［3-4］。自20世纪中期至今，地质、化学、化工等多领域研究人员进行了大量的勘探和科学研究工作［5-10］，其资源储量评估、盐类结晶路线等问题已基本明确。2010年，中国五矿集团获得一里坪盐湖卤水开发的采矿权后，其引进德国先进高效多级浓缩锂镁分离技术逐步开展一里坪盐湖锂硼钾资源综合利用项目［11］。本文以一里坪盐湖晶间卤水为例，核算其蒸发结晶过程的物料平衡和固相夹湿率，旨在为卤水资源综合利用过程避免资源损失和组分的高效利用提供基础数据。

1　实验

1.1仪器与试剂

仪器:X′Pert PRO型X射线粉末衍射仪，工作条件:电压为40 kV，电流为40 mA，线焦点，Cu靶Kα辐射，Ni滤波，波长为0.154 06 nm；iCAP6500 DUO型全谱直读等离子体光谱仪（ICP-OES），工作条件:雾化器流量为0.55 L/min，辅助气流量为0.50 L/min，泵速为50 r/min，等离子观测方式为垂直；PB-10型复合电极数显酸度计；BSA124S-CW型电子天平。

试剂:主要试剂均为市售分析纯试剂和标准试剂，水为煮沸的二次蒸馏水。

1.2实验方法

蒸发实验，称取20 kg一里坪盐湖晶间卤水，采用红外灯模拟日照，电风扇代替自然风进行室内自然蒸发实验。根据卤水蒸发率和析出盐晶体特征，采用倾倒法真空抽滤适时进行固液相分离。

组分分析，卤水中组分含量按照文献［12］方法测定:Mg2+、Ca2+采用EDTA容量法；Cl-采用摩尔法；K+采用四苯硼钠-季胺盐容量法；硼采用甘露醇法；SO42-采用联苯胺容量法；Li+采用ICP-OES法；Na+采用差减法计算。

2　结果与讨论

2.1固相夹湿率计算

固相夹湿率（以BER表示，单位为%），即液相在湿固相中的夹带比率，其计算对于固相组分的精确配盐、定量分析元素损失等具有重要意义。另外，固相夹湿率也可作为盐田晒盐物料衡算的辅助数据。

BER可以通过固液相分离时湿固相质量和放置一段时间后所得干固相的质量差，结合液相密度和各组分含量计算。

假设，①卤水中有n个组分（1，2…，n），且浓度为Ci（C1，C2，…，Cn）；②固液相分离时液相的密度为ρ（ρ1，ρ2，…，ρn）；③夹带母液体积为VE；④湿固体与干固体质量差为mwet-mdry；⑤夹带母液的质量为mE。则，

联立方程式（1）、（2）、（3），可得mE和VE，进而计算BER的公式如下:

根据一里坪盐湖晶间卤水蒸发过程的各次分离阶段析出的固相（表1）和各分离点上液相组成含量（表2），按照上述公式计算，分别获得固相配盐结果［13］（表3）和各次分离固相夹湿率值（表4）。

表1　固相XRD检测结果

表2　蒸发过程固液相组分变化

表3　蒸发过程析出固相的配盐结果　%

表4　一里坪盐湖卤水室内变温蒸发过程固相夹湿率

2.2盐类结晶分段及固相夹湿率的对应

由表3可知，一里坪盐湖晶间卤水室内自然蒸发结晶过程可分为3个结晶阶段（见表中不同下划线标注）。第一结晶段为石盐结晶段（以间断下划线标注）:包括第一至五分离段，主要盐类为NaCl，伴随少量CaSO4·2H2O；第二结晶段为钾混盐结晶段（实线标注）:包括第六至八分离段，主要盐类有KCl 和KCl·MgCl2·6H2O；第三结晶段为镁盐结晶阶段（波浪线标注）:涵盖了第八次及其后续分离阶段，主要盐类有MgSO4·4H2O、MgSO4·5H2O和MgCl2· 6H2O。

由表4可观察到，固相夹湿率呈现较明显的层次分布，第一至三次分离固相的夹湿率基本相同，第四至六次分离固相的夹湿率则稍有增大且基本处于同一数量段，第七和八次分离固相的夹湿率则出现相对较高值。而第九和第十次分离固相，因吸湿性强的水氯镁石（MgCl2·6H2O）含量高而导致出现严重的潮解现象，无法通过本方法计算其夹湿率。

对比表4和表3结果可见，固相夹湿率的分布层次与盐类结晶段基本一致。因此，本文推测，盐晶体种类是固相夹湿率的主要影响因素。

此外，计算盐湖卤水中析出盐类的固相夹湿率，应注意湿固相称样量与晾晒控制:称样量越大，计算误差相对越小；固体薄层均匀摊晒有利于水分去除，且以刚好晾晒除吸附水为宜。影响盐类夹湿率的主要因素为析出盐的种类及对应液相性质，不含结晶水盐类比含结晶水盐类夹带母液少；低密度、低黏度卤水中析出盐类夹带的母液量相对少。

2.3蒸发过程的物料平衡

借鉴文献［14］所述的全程成卤率概念及计算方法，采用质量计量，本文研究体系各分离阶段的蒸水率、析盐率和成卤率。计算如下:蒸水率=蒸水量/进卤量、析盐率=析盐量/进卤量、成卤率=母液量/进卤量。

表5　蒸发各分离阶段物料平衡关系

蒸发各分离阶段物料平衡关系见表5。由表5可知，蒸水率、析盐率和成卤率三者在各个阶段的总和均等于或接近100%，只有第八和十次分离的三者之和偏离较远，一里坪盐湖晶间卤水室内自然蒸发过程各分离阶段物料守恒情况良好。联合表5蒸水率、析盐率及成卤率数据和表1盐类结晶种类情况分析，初步认为，蒸水率、析盐率及成卤率通常受到蒸发速率、大气中水蒸气压及各相分离阶段卤水组成及析出盐类的类型的影响。就蒸发全程的蒸水率、析盐率、成卤率的总和而言，其误差可能是蒸发过程中的化学分析样品制取及固液分离过程的损失和实验过程的分析测试误差等因素的综合作用。

3　结论

1）提出盐湖卤水蒸发过程固相夹湿率计算方法，获得一里坪盐湖晶间卤水蒸发过程中析出固相的夹湿率，发现固相夹湿率的分布层次呈现与盐类结晶分段基本一致的规律性。初步认为，盐晶体种类和对应液相性质是影响固相夹湿率的主要因素。2）通过蒸发全程及各固液分离段蒸水率、析盐率、成卤率及物料平衡计算，获知一里坪盐湖卤水室内自然蒸发全程的物料平衡情况较好。

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联系方式：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

中国科学院盐湖资源与化学重点实验室开放基金（KLSLRC-KF-13-HX-7）；青海省科技厅项目（2014-ZJ-932Q）。

2016-01-15

崔香梅（1980—），女，博士，副教授，从事盐湖卤水资源分离利用化学化工基础研究，已发表论文14篇。