察爾汗鹽湖蒸發(fā)成礦及相關(guān)數(shù)學(xué)模型的研究進(jìn)展

韓玉蘭，劉鯉君，趙云*(.青海大學(xué)，青海 西寧 8006；.青海省測(cè)試計(jì)算中心，青海 西寧 80008)

0 引言

鹽田蒸發(fā)涉及眾多領(lǐng)域，是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的工藝體系。它是由察爾汗鹽湖鹽田鹵水體系、氣象因素、地理區(qū)域等共同作用，這些因素在不同程度上影響鹽田蒸發(fā)量、析鹽量及礦物結(jié)晶行為。綜合探究眾多因素與鹽田蒸發(fā)成礦間的相關(guān)性是目前研究的關(guān)鍵。

了解成礦機(jī)理、經(jīng)驗(yàn)工藝、現(xiàn)有數(shù)學(xué)模型，有助于后期蒸發(fā)工藝進(jìn)展，相關(guān)知識(shí)的增長。如圖1所示，理論基礎(chǔ)建構(gòu)為蒸發(fā)成礦的整個(gè)過程提供觀察視角、理論參數(shù)，設(shè)計(jì)鹽田工藝。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)規(guī)律，探究各個(gè)影響鹽田蒸發(fā)因素間的相關(guān)性，與蒸發(fā)特征的相關(guān)性。實(shí)踐可知，鹽田工藝的好壞直接影響或決定著光鹵石礦的質(zhì)量。需建立數(shù)學(xué)模型，通過數(shù)值模擬對(duì)鹽田工藝不斷調(diào)優(yōu)，建立相對(duì)完善的鹽田工藝體系。

圖1 鹽田體系的形成

1 影響蒸發(fā)結(jié)晶的因素

察爾汗鹽湖鹵水大體上是一個(gè)K+、Na+、Mg2+//Cl-—H2O的四元水鹽體系，含有少量和其他微量元素。鹽湖氣候干燥、日照強(qiáng)、蒸發(fā)量大、湖面風(fēng)期長，優(yōu)越的地理環(huán)境和氣象條件使鹵水蒸發(fā)結(jié)晶。堅(jiān)持“以鉀為主、綜合利用、循環(huán)經(jīng)濟(jì)、持續(xù)發(fā)展”的理念[1]，應(yīng)綜合考慮鹵水體系、氣象及其他因素與蒸發(fā)結(jié)晶的相關(guān)性。

1.1 鹵水體系對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶的影響

1.1.1 鹵水組分

鹵水組分間相互影響，一定程度上決定相平衡時(shí)的化學(xué)組成。鹵水蒸發(fā)濃縮時(shí)，鹵水中不同鹽分的數(shù)目與數(shù)量比決定鹽礦的性質(zhì)特征。由于不同鹽分中氯離子的存在，產(chǎn)生“同離子效應(yīng)”，使鹽礦的溶解度降低。隨著蒸發(fā)過程的進(jìn)行，鹵水組分發(fā)生變化，由此分階段析出不同品質(zhì)鹽礦，會(huì)有液相-固相-液相的幾個(gè)階段的固液相轉(zhuǎn)換[2-3]。

1.1.2 鹵水濃度

特定時(shí)期，近乎恒定氣象條件下，影響蒸發(fā)的主要因素之一屬鹵水濃度。鹵水自然蒸發(fā)時(shí)，濃度逐漸增大，限制蒸發(fā)速度。從微觀角度分析，鹵水中組分濃度增大，導(dǎo)致鹵水黏度增大，內(nèi)聚力增強(qiáng)，因此阻礙相變的發(fā)生。

1.2 氣象條件對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶的影響

1.2.1 太陽能輻射

太陽能輻射影響鹽湖氣溫、鹵溫、鹵水蒸發(fā)速率及鹽礦析出率。太陽能使水體升溫，輻射熱量轉(zhuǎn)化為鹵水蒸發(fā)潛熱。水體飽和蒸氣壓增大，一部分潛熱轉(zhuǎn)化為動(dòng)能，使水分由液相變?yōu)闅庀嗾舫?，達(dá)到蒸發(fā)目的[4]。隨之降低鹽類礦物的溶解度，不斷有鹽粒析出。

1.2.2 風(fēng)力

風(fēng)力強(qiáng)度主要影響鹽湖水面之上大氣的相對(duì)濕度。通過不斷排除水汽，使空氣中的水汽分壓降低，具有推動(dòng)相變速率的作用。

1.3 其他對(duì)蒸發(fā)結(jié)晶的影響

除上述影響因素，還存在一些間接因素。如適宜鹽田單池面積及深度，能接受到更多的太陽能輻射，水體熱容量大。結(jié)合風(fēng)力，水面產(chǎn)生波浪，擴(kuò)增蒸發(fā)面積，綜合提高鹽田蒸發(fā)能力[5]。

如采收作業(yè)方式有旱采和水采，旱采是對(duì)成礦鹵水進(jìn)行一次性灌鹵到排鹵，水采是針對(duì)濃度差不大的原鹵水進(jìn)行穩(wěn)定，連續(xù)進(jìn)鹵，使?jié)舛戎鸫卧龃骩6]。采收方式對(duì)晶體生長環(huán)境和成礦周期有較大的影響。再如鹽田鹵水走水方式有串聯(lián)和并聯(lián)之分，利用鹵水水位差使鹵水流動(dòng)蒸發(fā)。實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)與結(jié)晶同時(shí)進(jìn)行，有效增加蒸發(fā)量，促進(jìn)晶核生長[7,8]。

2 鹽田蒸發(fā)及相關(guān)數(shù)學(xué)模型的研究

蒸發(fā)工藝對(duì)察爾汗鹽湖產(chǎn)業(yè)及其環(huán)境保護(hù)、綠色開發(fā)和資源合理充分利用有著極其重要的意義。目前察爾汗鹽湖蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)大部分依據(jù)自然蒸發(fā)與等溫蒸發(fā)條件下的研究。通過相圖理論分析鹵水析鹽規(guī)律，大致將蒸發(fā)結(jié)晶過程依次分為原鹵濃縮、氯化鈉析出、鉀石鹽析出、光鹵石析出和老鹵曬制五個(gè)階段[9]。嚴(yán)格控制鹽田鹵水的導(dǎo)排過程是鹽田蒸發(fā)的關(guān)鍵。期間進(jìn)行多次固液分離，計(jì)算測(cè)定并控制鹵水的密度、組分、蒸發(fā)量和析鹽率，把握光鹵石的最佳分離點(diǎn)得到品質(zhì)好的光鹵石礦[10-11]。至今，察爾汗鹽田工藝計(jì)算仍就依據(jù)典型經(jīng)驗(yàn)證據(jù)，通過蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐生產(chǎn)建立相關(guān)數(shù)學(xué)模型。

2.1 鹽田蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)的研究

鹽田灘曬法是察爾汗鹽湖的最主要的鹽田蒸發(fā)工藝。概而論之，察爾汗鹽田生產(chǎn)過程如圖2所示，原鹵水經(jīng)過日曬蒸發(fā)濃縮，NaCl飽和析出于鈉鹽池，將析出的鈉鹽進(jìn)行第一次固液分離。在調(diào)節(jié)池中進(jìn)行第二次固液分離，灘曬蒸發(fā)提高KCl含量。調(diào)節(jié)池是鹽田鹵水蒸發(fā)濃縮到光鹵石飽和析出的過渡階段，起著向光鹵石池中補(bǔ)充鹵水、穩(wěn)定鹵水質(zhì)量、調(diào)整鹵水濃度和組分的作用。緊接著將接近光鹵石飽和點(diǎn)的鹵水導(dǎo)入光鹵石池繼續(xù)蒸發(fā)，在光鹵石池中將光鹵石全部析出，及時(shí)將老鹵排走，阻止水氯鎂石析出。直接灘曬法的優(yōu)點(diǎn)是利用優(yōu)越的日曬條件，工藝成本低廉。不足即直接灘曬過程可能有大量鉀石鹽析出，鹵水中KCl含量削減，固液分離時(shí)發(fā)現(xiàn)由于母液夾帶，鉀在這一蒸發(fā)工序中流失嚴(yán)重。再者直接灘曬法蒸發(fā)時(shí)間較長，蒸發(fā)效率低，一般完成一個(gè)完整的蒸發(fā)鹵水過程需要1～2年時(shí)間。

圖2 鹽田蒸發(fā)流程

兌鹵法是在原鹵或尾鹽水中，提前加入一定比例老鹵水以提高資源利用效益的手段。兌鹵法有效解決了直接灘曬時(shí)鉀石鹽析出階段鉀嚴(yán)重?fù)p失的問題。解決了尾液排放問題，使排出的老鹵循環(huán)利用[12]。改變?cè)u和成礦鹵水中鹽類組分與不同鹽分的數(shù)目之比，有效提高鹽田蒸發(fā)速率與光鹵石礦的產(chǎn)量。

張兆廣[13]針對(duì)察爾汗鹽湖低品位鹵水進(jìn)行自然蒸發(fā)實(shí)驗(yàn)，以蒸發(fā)兩組原鹵水中氯化鉀含量不同的實(shí)驗(yàn)做對(duì)比。定時(shí)檢測(cè)鹵水密度，析鹽種類來確定固液分離點(diǎn)，探究結(jié)晶路線。表明不同KCl含量的鹵水樣品的石鹽析出階段長短不一，含量低的石鹽析出段較長，母液夾帶的鉀、鎂的量高。試驗(yàn)樣品的水化學(xué)類型及高鈉組分特征決定了鹵水較長的石鹽階段，低鉀組分特征反映了光鹵石為鹵水后期的鹽礦，說明光鹵石結(jié)晶析出階段較短。掌握最佳分離點(diǎn)十分重要，他提出針對(duì)低鉀高鈉類型的鹵水應(yīng)用蒸發(fā)—兌鹵工藝，在鈉鹽池中導(dǎo)入尾液，使更多的鈉離子結(jié)晶析出，縮短鉀石鹽析出階段，鈉鹽池面積無需擴(kuò)大，有效降低生產(chǎn)成本。實(shí)驗(yàn)不足之處是固液分離時(shí)兩組樣品的蒸發(fā)面積及取樣時(shí)間不一致。該實(shí)驗(yàn)應(yīng)考慮到鹵水蒸發(fā)特征在冬夏季有很大的差別，且鹽田單池面積對(duì)蒸發(fā)量的影響不容忽視。

王永梅等[14]通過25 ℃等溫及多溫相圖，探究結(jié)晶路線，分析計(jì)算鹽田工藝各項(xiàng)指標(biāo)。將一年的節(jié)氣溫度劃分為兩個(gè)溫區(qū)：-5～15 ℃和15～30 ℃。指出在不同溫區(qū)鹵水結(jié)晶路線發(fā)生變化，較低溫區(qū)比較高溫區(qū)多一步鉀石鹽析出階段。一定鹵水濃度下，升溫時(shí)，蒸發(fā)效率呈上升趨勢(shì)，鈉鹽提前大量析出，鉀石鹽析出階段變短直至消失。較低溫區(qū)，采納兌鹵工藝，解決鉀石鹽析出階段較長問題，使鉀盡量以光鹵石礦的形式析出。等溫相圖分析研究，恰好消除因溫度變化引起的結(jié)晶路線的變化。

陳祥針[15]對(duì)開采過后的鹵水組分進(jìn)行分析，探討變化后的鹵水組分對(duì)鹽田生產(chǎn)的影響。表明氯化鈣是鹵水高度蒸發(fā)濃縮后的產(chǎn)物，相同溫度下氯化鈣溶解度遠(yuǎn)高于其他鹽分，同離子效應(yīng)促使氯化鉀、氯化鈉趨向飽和，結(jié)晶析出，成礦光鹵石中氯化鈉含量低。同樣，李海朝等[16]探究了氯化鎂對(duì)鹵水蒸發(fā)效率的影響。表明降低鹵水中鎂離子的含量，可縮短鹵水成礦周期。于-18～35 ℃溫區(qū)內(nèi)，升溫使氯化鎂溶解度變大，雖鹵水蒸發(fā)量增大，但隨之鹵水濃度升高，不利于鹵水成礦。

迄今，察爾汗鹽湖企業(yè)在鹽田生產(chǎn)中針對(duì)不同的鹵區(qū)采納不同的蒸發(fā)工藝。從開采形式、走水方式再到曬鹵都有所研究且采取了相應(yīng)的措施。無論是理論分析，還是生產(chǎn)實(shí)踐，從綜合資源及經(jīng)濟(jì)效益出發(fā)，表明大部分原鹵水鹽田適用采鹽船水采串聯(lián)走水，分段蒸發(fā)；成礦鹵水旱采一次性灌鹵成礦。

2.2 鹽田蒸發(fā)模型的研究

水鹽體系相圖分析在察爾汗鹽田蒸發(fā)模型建立研究歷程中起主導(dǎo)作用。蒸發(fā)過程和相圖分析相結(jié)合，理論固相量、液相量、系統(tǒng)總量可通過測(cè)量水鹽相圖中固相和液相對(duì)應(yīng)線段長度計(jì)算得到，找出理論最佳工藝控制點(diǎn)。結(jié)合鹵水組分動(dòng)態(tài)變化，大致控制生產(chǎn)過程中鹽田鹵水的導(dǎo)輸鹵時(shí)間，預(yù)測(cè)計(jì)算導(dǎo)輸鹵量和析鹽量。

建立鹽田蒸發(fā)模型的主要作用是為了調(diào)整、優(yōu)化、研究更為精準(zhǔn)的鹽田工藝。實(shí)時(shí)診斷、測(cè)量鹵水動(dòng)態(tài)變化。建立精度高、適用性強(qiáng)的蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型成為當(dāng)前研究的必然趨勢(shì)。表1中的各項(xiàng)蒸發(fā)模型是迄今察爾汗鹽湖在工藝計(jì)算中常用的計(jì)算公式[17]。

表1 察爾汗鹽湖常用的蒸發(fā)數(shù)學(xué)模型

田紅斌[18]結(jié)合相圖指導(dǎo)理論與實(shí)踐生產(chǎn)累積數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計(jì)，回歸分析有及無鉀石鹽析出類鹵水及固相分離點(diǎn)，分別建立不同階段礦鹽的析出率僅與溫度相關(guān)的分離模型。對(duì)于早期蒸發(fā)模型建立的研究有著較大的影響力，有力推進(jìn)了相關(guān)研究。

張軍[19-20]對(duì)石鹽析出階段、光鹵石析出階段和氯化鎂飽和階段建立鹵水相對(duì)比蒸發(fā)系數(shù)與鹵水密度及大氣相對(duì)濕度的變化的二元回歸方程：

(1)石鹽析出與光鹵石階段，在1.240～1.335 g/cm3密度范圍內(nèi)：F=0.76*(571.905-0.525 657R-393.477D)[19]

(2)氯化鎂飽和階段，在1.335～1.370 g/cm3密度范圍內(nèi)：F=3.679 74*10-12*R-0.382558*[exp(39.8577/D)][20]

R為大氣相對(duì)濕度；D為鹵水密度。

研究闡明為消除鹽田面積引發(fā)的蒸發(fā)速率的影響，應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，引入了大面積校正系數(shù)。鹵水密度和相對(duì)濕度與鹵水蒸發(fā)速率呈負(fù)相關(guān)。大氣相對(duì)濕度對(duì)蒸發(fā)的影響大過鹵水密度。

太陽能輻射為察爾汗鹽湖主要能量來源及影響因素，成春春等[21]研究者依據(jù)察爾汗鹽湖累積數(shù)據(jù)及理論知識(shí)，建立太陽能輻射量與鹽田各蒸發(fā)過程的蒸發(fā)水量和成礦量模型。模型指數(shù)R2值均大于0.99，對(duì)鹽田蒸發(fā)有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 結(jié)語

察爾汗鹽湖工藝是一個(gè)復(fù)雜體系，其研究發(fā)展必然是一個(gè)高投入，長期試驗(yàn)的過程。重視人才培育，資金投入，研發(fā)新型技術(shù)，有力推動(dòng)鹽湖蒸發(fā)工藝的發(fā)展。注重因地制宜，因時(shí)制宜，綜合考慮鹵水體系、氣象因素、鹽田形式、地理區(qū)域?qū)φ舭l(fā)結(jié)晶過程的影響，綠色開發(fā)，循環(huán)利用以及最佳的經(jīng)濟(jì)效益。目前察爾汗鹽湖鹽田蒸發(fā)結(jié)晶的研究主要從三方面入手：

(1)夯實(shí)相關(guān)理論基礎(chǔ)方面的研究，透徹分析鹽田鹵水蒸發(fā)結(jié)晶的內(nèi)在性質(zhì)與外在表征；

(2)設(shè)計(jì)合理的鹽田工藝，力求蒸發(fā)量、成礦量、資源利用率最大化；

(3)結(jié)合相圖分析及實(shí)際生產(chǎn)累積數(shù)據(jù)，建立與蒸發(fā)結(jié)晶相關(guān)的數(shù)學(xué)模型，不斷擴(kuò)充數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫，逐步完善，形成一個(gè)全面的體系。