三元體系偏硼酸鋰–碳酸鋰–水288.15,K相平衡研究

王士強，韓徐年，楊建森，郭亞飛，鄧天龍

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

三元體系偏硼酸鋰–碳酸鋰–水288.15,K相平衡研究

王士強，韓徐年，楊建森，郭亞飛，鄧天龍

(天津市海洋資源與化學重點實驗室，天津科技大學海洋科學與工程學院，天津 300457)

用等溫溶解平衡法研究三元體系LiBO2–Li2CO3–H2,O在288.15,K時穩(wěn)定相平衡及其溶液物化性質(zhì)(密度、折光率和pH)，繪制該三元體系的穩(wěn)定相圖和平衡溶液物化性質(zhì)–組成圖．研究結(jié)果表明：該三元體系有一個共飽點(LiBO2·8H2,O＋Li2CO3)、兩條單變量溶解度曲線和兩個單鹽結(jié)晶區(qū)，兩個結(jié)晶區(qū)分別對應為LiBO2·8H2O和Li2CO3，其中Li2CO3結(jié)晶區(qū)大而LiBO2·8H2O結(jié)晶區(qū)較?。擉w系屬水合物I型，既沒有發(fā)生脫水現(xiàn)象，也沒有復鹽和固溶體產(chǎn)生．采用經(jīng)驗公式計算該體系平衡溶液的密度和折光率，計算值與實驗值吻合較好．

穩(wěn)定相平衡；溶解度；偏硼酸鋰；碳酸鋰

我國青藏高原分布著眾多鹽湖，這些鹽湖鹵水以富含鋰、鉀、硼而聞名于世．隨著鹵水濃縮，鈉、鉀、鎂鹽析出，硼、鋰不斷富集，鹵水體系轉(zhuǎn)變?yōu)長i+，體系，因此研究這一復雜體系的相平衡和溶液物化性質(zhì)，對于提取鋰鹽、制定鹵水綜合利用方案，具有十分重要的意義[1-5]．

硼酸根是由正硼酸根[B(OH)?4]和正硼酸[B(OH)3]按一定比例聚合而成的硼氧絡(luò)陰離子．由于在不同的pH、鹽類、總硼濃度下，硼氧絡(luò)陰離子的聚合比例不同，因此對于不同的水鹽體系，硼酸鹽的存在形式也不一樣．在本研究中，選定偏硼酸鋰為鋰硼酸鹽的平衡固相．

三元體系LiBO2–Li2CO3–H2O是上述五元體系的一個子體系，閆書一等[6]、曾英[7]對該體系298.15,K穩(wěn)定相平衡開展了實驗研究．由于青藏高原鹽湖區(qū)夏季平均溫度在288.15,K左右，而該體系在288.15,K時穩(wěn)定相平衡與相圖迄今尚未見報道，故本文對該三元體系進行詳

細研究，測定各組分溶解度及相應液相的物化性質(zhì)，繪制該體系相圖、物化性質(zhì)–組成圖．

1 材料與方法

1.1 試劑與儀器

實驗所用LiBO2·8H2O、Li2CO3均為分析純，經(jīng)重結(jié)晶后備用．去離子水pH＝6.60，電導率＜1.0,μS/cm，實驗過程中配制體系點和分析用的標準液均用此水．

HXC–500–6A型磁力攪拌恒溫槽(0～85,℃，控溫精度0.1,℃)，北京惠城佳儀科技有限公司；DM 4500型精密密度計(精度0.000,1,g/cm3)、Abbemat 550型高精度折光率儀(精度0.000,1)，Anton Paar 公司；PH7310T型酸度計(精度±0.01)，德國WTW 公司；BX51–P型專業(yè)研究型偏光顯微鏡，Olympus公司；MSAL XD–3型X射線衍射儀(配置低溫附件)．

1.2 實驗方法

本研究采用等溫溶解平衡法，在玻璃平衡管中進行等溫溶解平衡實驗．從二元體系共飽點開始按照梯度加入第二種鹽，例如從LiBO2共飽點開始逐漸加入Li2CO3配制復體點，將配好的試液放置于150,mL玻璃平衡管中，置于磁力攪拌恒溫槽中攪拌以達到溶解平衡．攪拌恒溫槽的溫度控制為(288.15±0.1)K．定期取液相進行化學分析，以化學組分不變作為達到平衡的標志．平衡時間15,d，平衡后分別取液相和固相進行分析檢測．

1.3 分析檢測方法

總之，輔導員的工作任重而道遠，在平時的工作中要努力做到勤學、勤思、善悟，按照習近平總書記所提出的“四有好老師”標準，懷有世界眼光和有家國情懷，把握時代特征，通過自我加壓，刻苦學習、積極實踐、創(chuàng)新思維、學以致用，不斷提升自身的能力和水平，從而實現(xiàn)思政教育的創(chuàng)新發(fā)展。

平衡固相檢測方法采用Schreinmarkers法、偏光顯微鏡油浸法和X射線粉晶衍射法綜合確定．

平衡液相采用化學分析法測定：液相樣品中Li+離子采用ICP-OES法測定，分析誤差≤0.5%；硼酸根采用改進的甘露醇–堿量質(zhì)量法測定，分析誤差≤0.3%[8]．

平衡液相的密度用DM 4500型精密密度計進行測定，折光率用Abbemat 550型高精度折光率儀進行測定，pH用PH7310T型酸度計進行測定．

2 結(jié)果與討論

2.1 三元體系的溶解度

三元體系LiBO2–Li2CO3–H2O在288.15,K的溶解度測定結(jié)果見表1．由溶解度數(shù)據(jù)繪制該體系的穩(wěn)定平衡相圖見圖1．由圖1可見：該體系288.15,K相圖中有兩個單鹽結(jié)晶區(qū)，分別為LiBO2·8H2O和Li2CO3，其中Li2CO3結(jié)晶區(qū)面積較大，LiBO2·8H2O結(jié)晶區(qū)面積較小；兩條單變量溶解度曲線AE、BE；一個共飽點E，該點對應的平衡固相為LiBO2·8H2O+ Li2CO3，液相組成為LiBO20.23%、Li2CO335.71%．該體系相圖為水合物Ⅰ型，無復鹽和固溶體產(chǎn)生．

2.2 三元體系物化性質(zhì)

三元體系穩(wěn)定平衡溶液液相的物化性質(zhì)見表2，繪制出該三元體系的物化性質(zhì)–組成圖如圖2所示．橫坐標為Li2CO3的質(zhì)量分數(shù)，縱坐標為物化性質(zhì)參數(shù)．由圖2可見：溶液的物化性質(zhì)隨著溶液濃度的變化而呈現(xiàn)有規(guī)律的變化．由圖2(a)可見，密度隨Li2CO3質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小，在共飽點E處密度最大，為1.027,69,g/cm3；由圖2(b)可見，折光率變化規(guī)律和密度相似，隨Li2CO3質(zhì)量分數(shù)的增加先增大后減小，在共飽點E處折光率最大，為1.341,9；由圖2(c)可見，平衡液相為堿性，溶液的pH隨著Li2CO3質(zhì)量分數(shù)增大而增大．

根據(jù)電解質(zhì)溶液密度和折光率的計算公式[9]，計算該三元體系在288.15,K時溶液的密度和折光率．

式中：dt、Dt分別為288.15,K時溶液的密度和折光率；wi為第i種鹽的質(zhì)量分數(shù)；d0和D0分別是純水在288.15,K的密度和折光率，d0＝0.999,09,g/cm3，D0＝ 1.333,39[10]；Ai為密度系數(shù)，LiBO2和Li2CO3的密度系數(shù)分別為0.011,73、0.010,27；Bi為折光率系數(shù)，LiBO2和Li2CO3的折光率系數(shù)分別為0.002,778、0.002,518．

運用此經(jīng)驗公式計算得到的密度和折光率見表3．由表3可知，密度最大相對偏差為0.173%，折光率最大相對偏差僅為0.089%，計算值與實驗值吻合較好，表明此經(jīng)驗公式適用于三元體系LiBO2–Li2CO3–H2O在288.15,K時介穩(wěn)平衡溶液密度和折光率的計算．

3 結(jié) 語

(1)采用等溫溶解平衡法測定了三元體系LiBO2–Li2CO3–H2O在288.15,K時的穩(wěn)定溶解度數(shù)據(jù)和平衡溶液液相的密度、折光率、pH，由實驗結(jié)果繪制了該三元穩(wěn)定相圖及其物化性質(zhì)–組成圖．

(2)該體系穩(wěn)定相圖中有一個共飽點，兩條單變量溶解度曲線和兩個結(jié)晶相區(qū)，結(jié)晶相區(qū)分別為LiBO2·8H2O和Li2CO3．該體系為水合物Ⅰ型，無復鹽及固溶體出現(xiàn)．

(3)穩(wěn)定平衡溶液的密度和折光率隨著溶液中Li2CO3濃度的增大先是有規(guī)律地逐漸增大，到達共飽點E時達最大值，而后逐漸減小．該體系平衡液相為堿性，溶液的pH隨著Li2CO3濃度的增大而增大．利用經(jīng)驗公式計算了該三元體系液相的密度和折光率，計算值與實驗值吻合較好．

［1］ 鄭綿平，向軍. 青藏高原鹽湖[M]. 北京：北京科學技術(shù)出版社，1989.

［2］ 鄭喜玉，張明剛，徐昶，等. 中國鹽湖志[M]. 北京：科學出版社，2002.

［3］ Guo Y F，Liu Y H，Wang Q，et al. Phase equilibria and phase diagrams for the aqueous ternary system (Na2SO4+Li2SO4+H2O)at(288 and 308)K[J]. Journal of Chemical and Engineering Data，2013，58(10)：2763–2767.

［4］ Deng T L，Yin H J，Guo Y F. Metastable phase equilibrium in the aqueous ternary system Li2SO4+ MgSO4+ H2O at 323.15 K [J]. Journal of Chemical and Engineering Data，2011，56(9)：3585–3588.

［5］ Wang S Q，Deng T L. (Solid+liquid)isothermal evaporation phase equilibria in the aqueous ternary system(Li2SO4+MgSO4+H2O)at T＝308.15 K[J]. The Journal of Chemical Thermodynamics，2008，40(6)：1007–1011.

［6］ 閆書一，陳婷，殷輝安，等. Li2B4O7–Li2CO3–H2O三元體系298,K介穩(wěn)相平衡研究[J]. 鹽業(yè)與化工，2008，37(3)：22–23.

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

［9］ 林聯(lián)君，房春暉，房艷，等. 一個預測溶液密度的新模型[J]. 鹽湖研究，2006，14(2)：56–61.

［10］ Speight J M. Lange’s Handbook of Chemistry[M]. 16th ed. New York：McGeaw-Hill，2005.

責任編輯：周建軍

Phase Equilibria for the Ternary System of Lithium Metaborate-Lithium Carbonate-Water at 288.15,K

WANG Shiqiang，HAN Xunian，YANG Jiansen，GUO Yafei，DENG Tianlong
(Tianjin Key Laboratory of Marine Resources and Chemistry，College of Marine Science and Engineering，Tianjin University of Science & Technology，Tianjin 300457，China)

The solubilities and physicochemical properties(density，pH value，and refractive index)of the ternary system LiBO2-Li2CO3-H2O at 288.15,K were investigated with the method of isothermal dissolution equilibrium. According to the experimental results of the ternary system，the stable phase diagram and the diagrams of physicochemical properties versus composition were plotted. In the phase diagrams of the ternary system，there was one eutectic point corresponding to lithium metaborate octahydrate and lithium carbonate(LiBO2·8H2O+Li2CO3)，two isotherm dissolution curves，and two crystallization regions corresponding to LiBO2·8H2O and Li2CO3，respectively. This system belongs to hydrate type I，and neither dehydration phenomenon nor double salts and solid solutions were found. The calculated values of density and refractive index using empirical equations of the ternary system are in good agreement with the experimental values. .

stable phase equilibrium；solubility；lithium metaborate；lithium carbonate

TQ131.1

A

1672-6510(2014)06-0052-04

10.13364/j.issn.1672-6510.2014.06.011

2014–03–28；

2014–06–03

國家自然科學基金資助項目(21106103，21276194)；天津市應用基礎(chǔ)與前沿技術(shù)研究計劃資助項目(12JCQNJC03400)

王士強（1980—），男，山東泰安人，副研究員，wangshiqiang@tust.edu.cn.