探究青海察尔汗盐湖卤水中钙、镁、锂三种元素提取工艺

姜小萍，马 龙

（青海民族大学化学化工学院，青海西宁810007）

锂是最轻的金属元素，位于碱金属之首，属于化学元素周期表ⅠA 族元素[1]。单质锂质地软，呈金属银白色，电化学性质非常强，因其具有很高的比热和电导率，人们将锂称为“推动世界进步的能源金属”，将它广泛地应用于工业生产中。锂是一种稀有金属[2]，能解决人类长期的能源供给，目前人们将它广泛地应用于高能锂电池和受控热核反应中。锂离子电池具有能量密度很高的特点，而且是一种对环境无污染的新能源[3]，所以被人们称为“绿色能源”[4]。

钙位于第四周期第ⅡA 族，为银白色光泽金属，化学性质活泼，在空气中表面上能形成一层氧化物或氮化物薄膜，可减缓进一步腐蚀。加热时几乎能还原所有金属氧化物，熔融时也能还原许多金属氯化物。

镁是地壳中含量高、分布广的元素之一，质软，熔点较低，呈银白色，其化学活性强，与氧的亲合力大，常用做还原剂，极易溶解于有机和无机酸中[4]。锂被誉为“能源元素”，主要用于锂离子电池和受热控制反应。锂具有电压高、能量密度高、输出功率大、可快速充放电、循环性能优越、使用寿命长、充电效率高、自放电小、无环境污染等优点。锂在受控核聚变反应堆中也有广泛的应用；在陶瓷生产中加入锂，可以降低原料费用，改善产品质量和节约能源[5]；在医学中，可用于生产催眠剂和镇静剂。在炼铝工业中，加入碳酸锂能增加溶解点解物的电导率，降低其挥发度和粘性，提高电流效率，降低操作温度，减少热能损失，降低电解铝的成本。

钙元素用于维持强健的骨骼和健康的牙齿；维持规则的心律；缓解失眠症状；帮助体内铁的代谢；强化神经系统，特别是其刺激的传达机能。

镁主要用于制造轻金属合金、球墨铸铁、汽车、飞机、科学仪器脱硫剂脱氢和格氏试剂，也能用于制烟火、闪光粉、镁盐等[6-8]。探究钙、镁、锂在自然界中的储存和分布，对钙、镁[8]、锂的提纯综合利用进行研究[8-9，11]非常重要，所以改进工艺条件，既是防止资源浪费，也是提高产品质量和经济效益的需要[11]。

1 实验部分

1.1 实验原材料

察尔汗盐湖：锂（0 μg/mL）、钙（1.989 μg/mL）、镁（1.202 μg/mL）。

1.1.1 实验用卤水成分

（1）实验用卤水及药品

表1 实验卤水和实验药品

（2）实验仪器

表2 实验仪器

1.2 实验原理

利用NaOH 中的OH-除Mg2+，用Na2CO3中的CO32-除Ca2+，其反应式为：

1.3 实验方法

两碱法:利用NaOH 中的OH-除Mg2+,用Na2CO3中的CO2-3除Ca2+。通过对两碱法进行正交实验，探讨达到最高沉淀率的条件，以达到对钙、镁最大利用。

1.4 两碱法反应过程及影响因素

1.4.1 加料方式对镁沉淀率的影响

分别量取卤水100 mL,将其稀释到200 mL，在1 号样中加入NaOH 固体240 g（6 mol/L），在2 号样中加入NaOH 溶液6mol/L,控制温度为30℃，反应30min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中镁的浓度，分析离子沉淀率。

表3 加料方式对沉淀率的影响

1.4.2 氢氧化钠浓度对镁沉淀率的影响

表4 氢氧化钠浓度对沉淀的影响

1.4.3 反应温度对钙沉淀率的影响

表5 反应温度对钙沉淀速率的影响

1.4.4 反应时间对钙沉淀率的影响

表6 反应时间对钙沉淀速率的影响

2 四种条件对镁沉淀率影响对比

2.1 加料方式对镁沉淀率的影响

图1 加料方式对镁沉淀率的影响

由图1 可知，溶液能更好地生产沉淀，直接加入固体容易形成氢氧化镁胶体，导致反应不完全，消耗大量的氢氧化钠。

2.2 氢氧化钠浓度对镁沉淀率的影响

准确量取卤水100 mL,将其稀释到200 mL，在搅拌下滴加NaOH 溶液，NaOH 溶液的浓度分别为6 mol/L、8 mol/L、10 mol/L、12 mol/L、14 mol/L,控制温度为30 ℃，反应30 min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中镁的浓度，分析离子沉淀率。

由图2 可知，氢氧化钠在10 mol/L 的时候接近顶峰，虽然氢氧化钠浓度变大，沉淀率有增大的趋势，但效果不明显，从工业考虑，选10 mol/L 为最佳条件。

图2 氢氧化钠浓度对镁沉淀率的影响

2.3 反应温度对镁沉淀率的影响

准确量取卤水100 mL,将其稀释到200 mL，在搅拌下滴加NaOH 溶液10 mol/L，控制反应温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，反应30 min,真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中镁的浓度，分析离子沉淀率(图3)。见图3 可知，增高温度沉淀率增大，但效果不显著，所以选30 ℃为最佳温度。

图3 反应温度对镁沉淀率的影响

2.4 反应时间对镁沉淀率的影响

准确量取卤水100 mL，将其稀释到200 mL，在搅拌下滴加NaOH 溶液10 mol/L，控制反应温度为20 ℃，控制反应时间为20 min、30 min、40 min、50 min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中镁的浓度，分析离子沉淀率(图4)。由图4 可知，在20 min 时，沉淀率达到最大，时间越长沉淀基本不变。

图4 反应时间对镁沉淀率的影响

3 四种条件对钙沉淀率影响对比

3.1 碳酸钠加料方式对钙沉淀率的影响

分别量取卤水100 mL,将其稀释到200 mL，在实验1 中加入Na2CO3固体636 g（6 mol/L），在实验2 中加入Na2CO3溶液6 mol/L,控制温度为30 ℃，反应30 min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中钙的浓度，分析离子沉淀率。由图5 可知，以溶液形式加入更容易形成沉淀，沉淀率比较高。

图5 碳酸钠加料方式对钙沉淀率的影响

3.2 碳酸钠浓度对钙沉淀率的影响

准确量取卤水100mL,将其稀释到200mL，在搅拌下滴加Na2CO3溶液，Na2CO3溶液的浓度分别为2 mol/L、4 mol/L、6mol/L、8mol/L、10mol/L、12mol/L,控制温度为30℃，反应30min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中钙的浓度，分析离子沉淀率。由图6 可知，增加浓度对沉淀率几乎没有促进作用，甚至有下降的趋势，而且还增加碳酸钙的用量，所以选2mol 为最佳条件。

图6 碳酸钠浓度对钙沉淀率的影响

3.3 反应温度对钙沉淀率的影响

准确量取卤水100mL,将其稀释到200mL，在搅拌下滴加Na2CO3溶液2mol/L，控制反应温度为20℃、30℃、40℃、50℃、60℃、70℃，反应30min,真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中镁的浓度，分析离子沉淀率。由图7 可知，55℃时沉淀率达到最大值，再增加温度对沉淀率具有抑制作用。

图7 反应温度对钙沉淀率的影响

3.4 反应时间对钙沉淀率的影响

准确量取卤水100 mL，将其稀释到200 mL，在搅拌下滴加Na2CO3溶液10 mol/L，控制反应温度为20 ℃，控制反应时间为20 min、30 min、40 min、50 min，真空抽滤后将滤液稀释，测定溶液中钙的浓度，分析离子沉淀率。由图8 可知，反应时间在40 min 时达到最佳沉淀率。

图8 反应时间对钙沉淀率的影响

4 结论

通过实验对纯碱法沉淀卤水中的钙、镁进行了研究，在沉淀反应中，进行了单因素实验研究，从钙、镁的沉淀率和经济性研究了影响沉淀反应的各个因素，得出了沉淀反应的最佳工艺条件：Mg2+：NaOH 的浓度为10 mol/L，反应温度为30 ℃，反应时间为20 min；Ca2+：Na2CO3的浓度为2 mol/L，反应时间为40 min，反应温度为55 ℃。

通过在工艺上分开提纯钙、镁，可以使卤水深度净化，生产出医用盐，得到两种高价值产品，最大化利用了资源，值得在化工行业大力推广。