探究青海察爾汗鹽湖鹵水中鈣、鎂、鋰三種元素提取工藝

姜小萍，馬 龍

（青海民族大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院，青海西寧810007）

鋰是最輕的金屬元素，位于堿金屬之首，屬于化學(xué)元素周期表ⅠA 族元素[1]。單質(zhì)鋰質(zhì)地軟，呈金屬銀白色，電化學(xué)性質(zhì)非常強，因其具有很高的比熱和電導(dǎo)率，人們將鋰稱為“推動世界進步的能源金屬”，將它廣泛地應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。鋰是一種稀有金屬[2]，能解決人類長期的能源供給，目前人們將它廣泛地應(yīng)用于高能鋰電池和受控?zé)岷朔磻?yīng)中。鋰離子電池具有能量密度很高的特點，而且是一種對環(huán)境無污染的新能源[3]，所以被人們稱為“綠色能源”[4]。

鈣位于第四周期第ⅡA 族，為銀白色光澤金屬，化學(xué)性質(zhì)活潑，在空氣中表面上能形成一層氧化物或氮化物薄膜，可減緩進一步腐蝕。加熱時幾乎能還原所有金屬氧化物，熔融時也能還原許多金屬氯化物。

鎂是地殼中含量高、分布廣的元素之一，質(zhì)軟，熔點較低，呈銀白色，其化學(xué)活性強，與氧的親合力大，常用做還原劑，極易溶解于有機和無機酸中[4]。鋰被譽為“能源元素”，主要用于鋰離子電池和受熱控制反應(yīng)。鋰具有電壓高、能量密度高、輸出功率大、可快速充放電、循環(huán)性能優(yōu)越、使用壽命長、充電效率高、自放電小、無環(huán)境污染等優(yōu)點。鋰在受控核聚變反應(yīng)堆中也有廣泛的應(yīng)用；在陶瓷生產(chǎn)中加入鋰，可以降低原料費用，改善產(chǎn)品質(zhì)量和節(jié)約能源[5]；在醫(yī)學(xué)中，可用于生產(chǎn)催眠劑和鎮(zhèn)靜劑。在煉鋁工業(yè)中，加入碳酸鋰能增加溶解點解物的電導(dǎo)率，降低其揮發(fā)度和粘性，提高電流效率，降低操作溫度，減少熱能損失，降低電解鋁的成本。

鈣元素用于維持強健的骨骼和健康的牙齒；維持規(guī)則的心律；緩解失眠癥狀；幫助體內(nèi)鐵的代謝；強化神經(jīng)系統(tǒng)，特別是其刺激的傳達機能。

鎂主要用于制造輕金屬合金、球墨鑄鐵、汽車、飛機、科學(xué)儀器脫硫劑脫氫和格氏試劑，也能用于制煙火、閃光粉、鎂鹽等[6-8]。探究鈣、鎂、鋰在自然界中的儲存和分布，對鈣、鎂[8]、鋰的提純綜合利用進行研究[8-9，11]非常重要，所以改進工藝條件，既是防止資源浪費，也是提高產(chǎn)品質(zhì)量和經(jīng)濟效益的需要[11]。

1 實驗部分

1.1 實驗原材料

察爾汗鹽湖：鋰（0 μg/mL）、鈣（1.989 μg/mL）、鎂（1.202 μg/mL）。

1.1.1 實驗用鹵水成分

（1）實驗用鹵水及藥品

表1 實驗鹵水和實驗藥品

（2）實驗儀器

表2 實驗儀器

1.2 實驗原理

利用NaOH 中的OH-除Mg2+，用Na2CO3中的CO32-除Ca2+，其反應(yīng)式為：

1.3 實驗方法

兩堿法:利用NaOH 中的OH-除Mg2+,用Na2CO3中的CO2-3除Ca2+。通過對兩堿法進行正交實驗，探討達到最高沉淀率的條件，以達到對鈣、鎂最大利用。

1.4 兩堿法反應(yīng)過程及影響因素

1.4.1 加料方式對鎂沉淀率的影響

分別量取鹵水100 mL,將其稀釋到200 mL，在1 號樣中加入NaOH 固體240 g（6 mol/L），在2 號樣中加入NaOH 溶液6mol/L,控制溫度為30℃，反應(yīng)30min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鎂的濃度，分析離子沉淀率。

表3 加料方式對沉淀率的影響

1.4.2 氫氧化鈉濃度對鎂沉淀率的影響

表4 氫氧化鈉濃度對沉淀的影響

1.4.3 反應(yīng)溫度對鈣沉淀率的影響

表5 反應(yīng)溫度對鈣沉淀速率的影響

1.4.4 反應(yīng)時間對鈣沉淀率的影響

表6 反應(yīng)時間對鈣沉淀速率的影響

2 四種條件對鎂沉淀率影響對比

2.1 加料方式對鎂沉淀率的影響

圖1 加料方式對鎂沉淀率的影響

由圖1 可知，溶液能更好地生產(chǎn)沉淀，直接加入固體容易形成氫氧化鎂膠體，導(dǎo)致反應(yīng)不完全，消耗大量的氫氧化鈉。

2.2 氫氧化鈉濃度對鎂沉淀率的影響

準確量取鹵水100 mL,將其稀釋到200 mL，在攪拌下滴加NaOH 溶液，NaOH 溶液的濃度分別為6 mol/L、8 mol/L、10 mol/L、12 mol/L、14 mol/L,控制溫度為30 ℃，反應(yīng)30 min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鎂的濃度，分析離子沉淀率。

由圖2 可知，氫氧化鈉在10 mol/L 的時候接近頂峰，雖然氫氧化鈉濃度變大，沉淀率有增大的趨勢，但效果不明顯，從工業(yè)考慮，選10 mol/L 為最佳條件。

圖2 氫氧化鈉濃度對鎂沉淀率的影響

2.3 反應(yīng)溫度對鎂沉淀率的影響

準確量取鹵水100 mL,將其稀釋到200 mL，在攪拌下滴加NaOH 溶液10 mol/L，控制反應(yīng)溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，反應(yīng)30 min,真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鎂的濃度，分析離子沉淀率(圖3)。見圖3 可知，增高溫度沉淀率增大，但效果不顯著，所以選30 ℃為最佳溫度。

圖3 反應(yīng)溫度對鎂沉淀率的影響

2.4 反應(yīng)時間對鎂沉淀率的影響

準確量取鹵水100 mL，將其稀釋到200 mL，在攪拌下滴加NaOH 溶液10 mol/L，控制反應(yīng)溫度為20 ℃，控制反應(yīng)時間為20 min、30 min、40 min、50 min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鎂的濃度，分析離子沉淀率(圖4)。由圖4 可知，在20 min 時，沉淀率達到最大，時間越長沉淀基本不變。

圖4 反應(yīng)時間對鎂沉淀率的影響

3 四種條件對鈣沉淀率影響對比

3.1 碳酸鈉加料方式對鈣沉淀率的影響

分別量取鹵水100 mL,將其稀釋到200 mL，在實驗1 中加入Na2CO3固體636 g（6 mol/L），在實驗2 中加入Na2CO3溶液6 mol/L,控制溫度為30 ℃，反應(yīng)30 min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鈣的濃度，分析離子沉淀率。由圖5 可知，以溶液形式加入更容易形成沉淀，沉淀率比較高。

圖5 碳酸鈉加料方式對鈣沉淀率的影響

3.2 碳酸鈉濃度對鈣沉淀率的影響

準確量取鹵水100mL,將其稀釋到200mL，在攪拌下滴加Na2CO3溶液，Na2CO3溶液的濃度分別為2 mol/L、4 mol/L、6mol/L、8mol/L、10mol/L、12mol/L,控制溫度為30℃，反應(yīng)30min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鈣的濃度，分析離子沉淀率。由圖6 可知，增加濃度對沉淀率幾乎沒有促進作用，甚至有下降的趨勢，而且還增加碳酸鈣的用量，所以選2mol 為最佳條件。

圖6 碳酸鈉濃度對鈣沉淀率的影響

3.3 反應(yīng)溫度對鈣沉淀率的影響

準確量取鹵水100mL,將其稀釋到200mL，在攪拌下滴加Na2CO3溶液2mol/L，控制反應(yīng)溫度為20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，反應(yīng)30min,真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鎂的濃度，分析離子沉淀率。由圖7 可知，55℃時沉淀率達到最大值，再增加溫度對沉淀率具有抑制作用。

圖7 反應(yīng)溫度對鈣沉淀率的影響

3.4 反應(yīng)時間對鈣沉淀率的影響

準確量取鹵水100 mL，將其稀釋到200 mL，在攪拌下滴加Na2CO3溶液10 mol/L，控制反應(yīng)溫度為20 ℃，控制反應(yīng)時間為20 min、30 min、40 min、50 min，真空抽濾后將濾液稀釋，測定溶液中鈣的濃度，分析離子沉淀率。由圖8 可知，反應(yīng)時間在40 min 時達到最佳沉淀率。

圖8 反應(yīng)時間對鈣沉淀率的影響

4 結(jié)論

通過實驗對純堿法沉淀鹵水中的鈣、鎂進行了研究，在沉淀反應(yīng)中，進行了單因素實驗研究，從鈣、鎂的沉淀率和經(jīng)濟性研究了影響沉淀反應(yīng)的各個因素，得出了沉淀反應(yīng)的最佳工藝條件：Mg2+：NaOH 的濃度為10 mol/L，反應(yīng)溫度為30 ℃，反應(yīng)時間為20 min；Ca2+：Na2CO3的濃度為2 mol/L，反應(yīng)時間為40 min，反應(yīng)溫度為55 ℃。

通過在工藝上分開提純鈣、鎂，可以使鹵水深度凈化，生產(chǎn)出醫(yī)用鹽，得到兩種高價值產(chǎn)品，最大化利用了資源，值得在化工行業(yè)大力推廣。