氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂對鹵水蒸發(fā)效率的影響

陳 奇，李海朝

(青海民族大學(xué)，青海省應(yīng)用物理化學(xué)重點實驗室，青海 西寧 810007)

青海省鹽湖具有數(shù)量多、分布廣、資源豐富、類型全等特點[1]。位于柴達木盆地的察爾汗鹽湖是氯化物鹽湖，以生產(chǎn)氯化鉀為主，2013年氯化鉀產(chǎn)能已達300萬t[2]，青海省已是我國鉀肥主要生產(chǎn)地。目前察爾汗鹽湖生產(chǎn)鉀肥采用反浮選—冷結(jié)晶工藝，該工藝主要分兩步：一是低鈉光鹵石的制備；二是將制備的低鈉光鹵石加入結(jié)晶器中，用含氯化鎂的母液分解光鹵石。制備低鈉光鹵石則需要合格的光鹵石原礦，將鹵水放在鹽田中經(jīng)自然條件下蒸發(fā)濃縮后進一步分離獲得不同的產(chǎn)品[3]，氯化鈉達到飽和部分以固體的形式析出，繼續(xù)蒸發(fā)此時的氯化鉀有少量固體析出但大部分是得到濃縮的溶液，氯化鎂則繼續(xù)以溶液的形式存在于鹵水中，此過程需要大量的時間(1 a～2 a)，也是生產(chǎn)氯化鉀的控制步驟[4-5]。如果提高曬制光鹵石原礦的效率縮短曬制時間將會提高生產(chǎn)效益和經(jīng)濟效益。然而在生產(chǎn)實踐中發(fā)現(xiàn)，不同質(zhì)量濃度的氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂對鹽溶液的蒸發(fā)都有不同程度的影響，但具體影響因素和影響程度尚未有文獻報道。因此，研究不同質(zhì)量濃度氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂對鹽溶液蒸發(fā)效率的影響，對實際生產(chǎn)和科學(xué)研究具有重要意義。

1 實驗部分

1.1 原料及試劑

氯化鈉、氯化鉀、六水氯化鎂，均為分析純試劑，天津市大茂化學(xué)試劑廠。

由于氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂在20 ℃的飽和濃度分別為36 g/100 mL、34 g/100 mL和54.5 g/100 mL[6]，青海察爾汗鹽湖鹵水主要化學(xué)成分見表1(數(shù)據(jù)來源[7])。為了相互比較未飽和鹽溶液的蒸發(fā)速率，用高純水分別配制質(zhì)量濃度在100 g/L～200 g/L之間且以10 g/L為增加梯度的氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂水溶液，則相對應(yīng)的摩爾濃度變化范圍為氯化鈉1.71 mol/L～3.42 mol/L；氯化鉀1.34 mol/L～2.68 mol/L；氯化鎂1.05 mol/L～2.11 mol/L。

表1 青海察爾汗鹽湖鹵水主要化學(xué)成分

1.2 蒸發(fā)速率的測定

蒸發(fā)與溫度和濕度有著密切的聯(lián)系，溫度高、濕度小則蒸發(fā)速率快。所以為了使實驗結(jié)果更具代表性，取5月～9月日均最高氣溫平均值作為實驗溫度，取平均濕度作為實驗濕度。察爾汗鹽湖礦區(qū)位于格爾木市，格爾木市氣候變化對比如表2所示[8-9]。

表2 青海省格爾木市氣候變化對比

實驗采用溫度19 ℃～20 ℃，濕度9%～10%。在相同條件下將氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂溶液分別置于不同的培養(yǎng)皿中。由于隨著水分的蒸發(fā)溶液的濃度將逐漸增大，為盡量保證實驗的精確性以10 min時間為限通過測定溶液蒸發(fā)量，獲取蒸發(fā)速率。

1.3 蒸發(fā)速率的計算

蒸發(fā)速率計算公式見下式：

(1)

則：W=(M1-M2)×6

(2)

(3)

式中：V——蒸發(fā)速率，kg/m2·h；S——實驗溶液表面積，m2；W——每小時蒸發(fā)量,kg；M1——實驗前溶液重量,kg；M2——實驗后溶液重量,kg；d——培養(yǎng)皿直徑,m。

2 結(jié)果與討論

蒸發(fā)可以看作是溶液中的水汽化過程。而水分子間的氫鍵作用是液態(tài)水的一個重要特征，溶液中的水分子可通過氫鍵作用形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)被稱為水結(jié)構(gòu)[11]。而當液態(tài)水中加入無機鹽離子會導(dǎo)致水結(jié)構(gòu)發(fā)生變化如溶液的黏度和表面張力等，從而影響溶液的蒸發(fā)速率。

2.1 氯化鈉濃度對溶液蒸發(fā)效率的影響

氯化鈉在自然條件下的蒸發(fā)效率直接影響鹽田制鹽的效率和經(jīng)濟效益，蒸發(fā)速率越大則表明蒸發(fā)效率越高。不同質(zhì)量濃度氯化鈉對蒸發(fā)速率的影響見圖1。

從圖1看出，在溫度為19 ℃～20 ℃、濕度為9%～10%的實驗條件下隨著氯化鈉質(zhì)量濃度逐漸升高蒸發(fā)速率逐漸降低。在氯化鈉質(zhì)量濃度為100 g/L時蒸發(fā)速率為0.111 6 kg/m2·h,在200 g/L時蒸發(fā)速率下降為0.098 4 kg/m2·h。濃度增加了1倍，蒸發(fā)速率下降11.82%，由于鈉離子直徑為95 pm,直徑不大屬于結(jié)構(gòu)制造性鹽，溶液的黏度會隨著溶液濃度增加而增大，但黏度增大幅度較小，在氯化鈉濃度為0時溶液黏度為1 mPa·s當濃度增加到175.5 g/L時黏度約為1.45 mPa·s；而氯化鎂溶液在171 g/L時溶液黏度已達到了2.0 mPa·s[10]。所以相同濃度氯化鈉溶液與氯化鎂溶液相比對黏度較小，而蒸發(fā)速率則較大。

2.2 氯化鉀質(zhì)量濃度對溶液蒸發(fā)效率的影響

鹽湖中的氯化鉀是生產(chǎn)鉀肥的原料，不同質(zhì)量濃度氯化鉀對蒸發(fā)速率的影響見圖2。由圖2可以看出隨著質(zhì)量濃度增加蒸發(fā)速率下降趨勢與氯化鈉相差不大，在氯化鉀質(zhì)量濃度為100 g/L時蒸發(fā)速率為0.105 6 kg/m2·h,在200 g/L時蒸發(fā)速率下降為0.081 6 kg/m2·h與100 g/L比下降了13.64%。鉀離子直徑較大133 pm，為結(jié)構(gòu)破壞性鹽。鉀離子對周圍水分子束縛能力不強，對水分子的結(jié)構(gòu)影響較小，所以氯化鉀的濃度幾乎不影響其溶液的黏度。同時氯化鉀是一種水結(jié)構(gòu)疏散鹽，鉀離子半徑大，水合數(shù)相對于氯化鎂較小，所以表面張力隨著溶液濃度增加的趨勢相對較小。相同濃度氯化鉀表面張力比氯化鎂要小，黏度也比氯化鎂小，所以蒸發(fā)速率比氯化鎂快。

2.3 氯化鎂質(zhì)量濃度對溶液蒸發(fā)效率的影響

長期實踐生產(chǎn)表明鹵水中的氯化鎂會對鹽湖在自然條件下曬制成合格鹵水產(chǎn)生影響。不同質(zhì)量濃度的氯化鎂對鹽溶液蒸發(fā)速率的影響見圖3。

圖3中氯化鎂溶液蒸發(fā)速率隨著質(zhì)量濃度增加下降的趨勢相對于氯化鈉和氯化鉀更加明顯。在氯化鎂質(zhì)量濃度為100 g/L時蒸發(fā)速率為0.096 6 kg/m2·h,相對于氯化鈉和氯化鉀分別下降了13.44%和8.52%；在200 g/L時蒸發(fā)速率下降為0.081 6 kg/m2·h-1和氯化鈉及氯化鉀相比下降了17.07%和10.53%。鎂離子半徑為65 pm屬于結(jié)構(gòu)制造性鹽，鎂離子可以牢固束縛周圍的水分子，增強了水結(jié)構(gòu)，減小了溶液中水分子流動性。黏度值隨著濃度增加而快速增加。相同濃度下氯化鎂溶液的黏度比氯化鈉和氯化鉀大得多。同時氯化鎂是一種水結(jié)構(gòu)致密鹽，離子半徑較小水合數(shù)較大，在溶液中完全水合，表面張力隨溶液濃度增加而急速增大，所以相同濃度氯化鎂蒸發(fā)速率比氯化鉀和氯化鈉都慢得多。這也致使在實際生產(chǎn)中氯化鎂無法被浮選。

3 結(jié)論

1)氯化鹽的鹽溶液蒸發(fā)速率會隨著質(zhì)量濃度增加而逐漸降低，且溶液濃度越大蒸發(fā)速率降低的越快。鹽溶液蒸發(fā)速率影響因素與溶液黏度和溶液表面張力以及離子水合數(shù)都有聯(lián)系，但具體影響程度還有待實驗數(shù)據(jù)進行分析。

2)在溫度和濕度相同條件下，相同濃度氯化鈉、氯化鉀、氯化鎂溶液對鹽溶液蒸發(fā)速率的影響效果氯化鈉和氯化鉀較為接近，氯化鎂最為明顯，濃度在100 g/L時蒸發(fā)速率為0.096 6 kg/m2·h，在200 g/L時蒸發(fā)速率為0.081 6 kg/m2·h，蒸發(fā)速率降低了15.53%。

3)由于不同濃度的氯化鎂對溶液蒸發(fā)速率影響最大，在鹽湖鹵水自然條件下蒸發(fā)成礦的過程中除去或降低鹵水中的氯化鎂濃度則會大大提高生產(chǎn)鉀肥以及鹽田制鹽的效率。同時分離出的水氯鎂石可生產(chǎn)一系列如無水氯化鎂、氧化鎂、氫氧化鎂等產(chǎn)品，具有巨大的發(fā)展?jié)撃堋?/p>