染色技术对盐湖卤水蒸发效率的影响

董昌吉,杨小波

(1.青海盐湖工业股份有限公司,青海 西宁 810007;2.青海民族大学 青海省应用 物理化学重点实验室,青海 西宁 810007)

太阳能是地球上可利用的一种丰富的天然能源,具有清洁、可再生、经济实用等优点[1]。在一些偏远地区,能源短缺会对人们的生活造成很大压力,因此有效地利用太阳能对缓解这种压力至关重要[2]。然而,自然条件下太阳光辐射弱,水蒸发效率低。因此,为了最大限度地开发和利用太阳能,可以通过提高界面水的局部温度以减少热损失,实现高效的太阳能驱动水蒸发,从而在蒸馏、脱盐等领域应用。近年来,金属纳米粒子[3-4]、碳材料[5-9]和有机化合物[10-12]等具有广泛太阳能光谱吸收能力的光热转换材料在高效的光热转换中发挥了重要作用。然而,这些材料存在原料价格高、生产成本昂贵、制备工艺复杂等问题,无法满足大范围的实际应用需求。文章以染料、经济有机化合物、常见表面活性剂为原料,探索其对太阳能辐射率的影响。

青海省盐湖具有数量多、分布广、资源丰富、类型全等特点[13]。位于柴达木盆地的察尔汗盐湖是氯化物盐湖,以生产氯化钾为主,2013年氯化钾产能已达300万t[14],青海省已是我国钾肥主要生产地。目前察尔汗盐湖生产钾肥采用反浮选—冷结晶工艺,该工艺主要分两步:一是低钠光卤石的制备;二是将制备的低钠光卤石加入结晶器中,用含氯化镁的母液分解光卤石。制备低钠光卤石则需要合格的光卤石原矿:将卤水放在盐田中经自然条件下蒸发浓缩后进一步分离获得不同的产品,氯化钠达到饱和部分以固体的形式析出,继续蒸发,此时的氯化钾有少量固体析出但大部分是得到浓缩的溶液,氯化镁则继续以溶液形式存在于卤水中,此过程需要大量时间(1～2 a),也是生产氯化钾的控制步骤。蒸发可以简单看作是溶液中的水汽化过程。而水分子间的氢键作用是液态水的一个重要特征,溶液中的水分子可通过氢键作用形成网状结构,这种结构被称为水结构[15]。而当液态水中加入某些物质会导致水结构发生变化如溶液的黏度和表面张力等,从而影响溶液的蒸发速率。如果提高晒制光卤石原矿的效率缩短晒制时间将会提高生产效益和经济效益。而在生产实践中通常在自然条件下进行卤水的蒸发。因此研究不同物质染色对卤水蒸发速率的影响,对实际生产和科学研究都具有重要意义。

1 实验部分

1.1 试剂及仪器

氯化钠、氯化钾、六水氯化镁、氯化钙、氯化锂,均为分析纯试剂,天津市大茂化学试剂厂;达旦黄、萘酚绿、甲基化、结晶紫、铬黑T,均为指示剂,上海国药试剂集团;乙醇,乙二醇,丙酮,均为分析纯试剂,国药集团化学试剂有限公司;十二烷基磺酸钠(SDSN),十二烷基硫酸钠(SDS),十二烷基苯磺酸啊(SDBS),均为分析纯试剂,上海麦克林生化科技股份有限公司。

EPED-E2-20TF痕量分析型超纯水器(南京易普易达科技发展有限公司);PL203电子天平(梅特勒—托利多仪器(上海)有限公司)。

1.2 溶液配制

根据青海察尔汗盐湖卤水主要化学成分(数据见表1[16])配置1 L卤水备用。将不同颜色染料配成相同浓度,实验采用0.5 g/L。表面活性剂配置成1个临界胶束浓度(CMC)。SDSN、SDS和SDBS的CMC分别为9.7×10-3、8.7×10-3、9.0×10-3mol/L。

表1 青海察尔汗盐湖卤水主要化学成分Tab.1 Main Chemical composition of brine in Salt Lake of Chaerhan Qinghai mg/L

1.2 蒸发速率的测定

蒸发与温度和湿度有着密切的联系,温度高、湿度小则蒸发速率快。所以为了使实验结果更具代表性,取2019-05～09格尔木市的日均最高气温平均值作为实验温度,取平均湿度作为实验湿度。察尔汗盐湖矿区位于格尔木市,格尔木市气候变化对比见表2,所以实验采用温度为20 ℃±1 ℃,湿度为10%±1%。将实验分为三组取卤水置于培养皿中在相同条件下分别将染料,有机化合物,表面活性剂加入卤水中,并且每组设置卤水空白对照组。由于随着水分的蒸发溶液的浓度将逐渐增大,所以为尽量保证实验的精确性以10 min时间为限通过测定溶液蒸发量,获取蒸发速率。

表2 青海省格尔木市气候变化对比Tab.2 Comparison of climate change in Golmud, Qinghai Province ℃

1.3 蒸发速率的计算

蒸发速率计算公式见下式:

(1)

而:

W=(M1-M2)×6

(2)

(3)

式中:V为蒸发速率,单位kg/m2·h;S为实验溶液表面积,单位m2;W为每小时蒸发量,单位kg/h;M1为实验前溶液重量,单位kg;M2为实验前溶液重量,单位kg;d为培养皿直径,单位m。

2 结果与讨论

2.1 不同染料对卤水蒸发速率影响

因太阳光由七种颜色组成且不同颜色根据其波长的不同所具备的能量也不相同,紫色、蓝色、黄色、绿色、红色属于可见光范围,所以将这几种颜色作为研究对象。其对卤水蒸发速率的影响见图1。

图1 不同染料对卤水蒸发速率的影响Fig.1 Effect of different dyes on evaporation rate of brine

由图1可以清晰看出,绿色染料对卤水蒸发速率与其它颜色染料相比具有巨大的优势,蒸发速率达到了0.439 kg/m2·h。在相同环境下卤水蒸发速率为0.039 kg/m2·h,由图1可知黄色染料、紫色染料、黑色染料对卤水蒸发速率都有一定的促进作用。而红色染料则具有抑制作用,这是由于卤水中加入红色染料使得水分子间作用力增加,从而导致蒸发速率降低。染料对卤水蒸发速率影响大小排序为:绿色>黄色>紫色>黑色>卤水>红色。

2.2 有机化合物对卤水蒸发速率影响

有机化合物是具有广泛太阳能光谱吸收能力的光热转换材料其在高效的光热转换中发挥了重要作用,因此研究乙醇、乙二醇、丙酮三种有机物对盐湖卤水蒸发速率的影响。

如图2所示,卤水在此环境中蒸发速率为0.135 kg/m2·h,在研究的有机化合物中乙醇对卤水蒸发速率影响最大,在乙醇加入后速率达到了0.175 kg/m2·h蒸发速率增加了29.6%。这是由于乙醇为非极性分子,当其加入到卤水中乙醇分子之间的氢键不如水中氢键多,从而使分子之间相互作用力变弱,束缚减小。其次是丙酮对卤水蒸发也有促进作用,其促进机理与乙醇相似,将其加入卤水中蒸发速率为0.174 kg/m2·h。而有机化合物乙二醇由于多羟基的原因使得分子间氢键作用增强,从而抑制了卤水的蒸发。

2.3 表面活性剂对卤水蒸发速率影响

表面活性剂是一大类有机化合物,具有活跃与表面和改变表面张力等特点。将少量的表面活性剂加入溶液中会大大降低其表面张力,从而影响蒸发速率。将几种常见阴离子表面活性剂作为研究对象,其对卤水的蒸发速率见图3。

图3 表面活性剂对卤水蒸发速率的影响Fig.3 Effect of surfactant on evaporation rate of brine

在实验环境下测得卤水蒸发速率为0.282 kg/m2·h,而加入表面活性剂后蒸发速率均发生了改变。由图3可知,十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠的加入促进了卤水蒸发,蒸发速率分别为0.349 kg/m2·h和0.315 kg/m2·h蒸发速率增加了23.7%和11.7%。十二烷基硫酸钠由于CMC较小的原因加入后在卤水表面形成了一层膜结构阻碍了卤水蒸发使其速率降低为0.252 kg/m2·h。

3 结论

文章研究了不同染料、有机化合物以及常见的表面活性剂对盐湖卤水蒸发速率的影响。首先绿色染料对卤水蒸发速率促进作用最强,红色对蒸发速率有一定的抑制作用,不同染料对蒸发速率影响大小排序为:绿色>黄色>紫色>黑色>卤水>红色。此次在研究有机化合物中乙醇对卤水蒸发速率影响最大,在乙醇加入后速率达到了0.175 kg/m2·h蒸发速率增加了29.6%,乙二醇由于多羟基的原因使得分子间氢键作用增强,从而抑制了卤水的蒸发。最后对于表面活性剂十二烷基磺酸钠和十二烷基苯磺酸钠的加入促进了卤水蒸发,十二烷基硫酸钠在卤水表面形成了一层膜结构阻碍了卤水蒸发使其速率降低。