氯化钠、氯化钾、氯化镁对卤水蒸发效率的影响

2021-10-14李海朝

盐科学与化工 2021年9期

陈奇，李海朝

(青海民族大学，青海省应用物理化学重点实验室，青海西宁 810007)

青海省盐湖具有数量多、分布广、资源丰富、类型全等特点[1]。位于柴达木盆地的察尔汗盐湖是氯化物盐湖，以生产氯化钾为主，2013年氯化钾产能已达300万t[2]，青海省已是我国钾肥主要生产地。目前察尔汗盐湖生产钾肥采用反浮选—冷结晶工艺，该工艺主要分两步：一是低钠光卤石的制备；二是将制备的低钠光卤石加入结晶器中，用含氯化镁的母液分解光卤石。制备低钠光卤石则需要合格的光卤石原矿，将卤水放在盐田中经自然条件下蒸发浓缩后进一步分离获得不同的产品[3]，氯化钠达到饱和部分以固体的形式析出，继续蒸发此时的氯化钾有少量固体析出但大部分是得到浓缩的溶液，氯化镁则继续以溶液的形式存在于卤水中，此过程需要大量的时间(1 a～2 a)，也是生产氯化钾的控制步骤[4-5]。如果提高晒制光卤石原矿的效率缩短晒制时间将会提高生产效益和经济效益。然而在生产实践中发现，不同质量浓度的氯化钠、氯化钾、氯化镁对盐溶液的蒸发都有不同程度的影响，但具体影响因素和影响程度尚未有文献报道。因此，研究不同质量浓度氯化钠、氯化钾、氯化镁对盐溶液蒸发效率的影响，对实际生产和科学研究具有重要意义。

1 实验部分

1.1 原料及试剂

氯化钠、氯化钾、六水氯化镁，均为分析纯试剂，天津市大茂化学试剂厂。

由于氯化钠、氯化钾、氯化镁在20 ℃的饱和浓度分别为36 g/100 mL、34 g/100 mL和54.5 g/100 mL[6]，青海察尔汗盐湖卤水主要化学成分见表1(数据来源[7])。为了相互比较未饱和盐溶液的蒸发速率，用高纯水分别配制质量浓度在100 g/L～200 g/L之间且以10 g/L为增加梯度的氯化钠、氯化钾、氯化镁水溶液，则相对应的摩尔浓度变化范围为氯化钠1.71 mol/L～3.42 mol/L；氯化钾1.34 mol/L～2.68 mol/L；氯化镁1.05 mol/L～2.11 mol/L。

表1 青海察尔汗盐湖卤水主要化学成分

1.2 蒸发速率的测定

蒸发与温度和湿度有着密切的联系，温度高、湿度小则蒸发速率快。所以为了使实验结果更具代表性，取5月～9月日均最高气温平均值作为实验温度，取平均湿度作为实验湿度。察尔汗盐湖矿区位于格尔木市，格尔木市气候变化对比如表2所示[8-9]。

表2 青海省格尔木市气候变化对比

实验采用温度19 ℃～20 ℃，湿度9%～10%。在相同条件下将氯化钠、氯化钾、氯化镁溶液分别置于不同的培养皿中。由于随着水分的蒸发溶液的浓度将逐渐增大，为尽量保证实验的精确性以10 min时间为限通过测定溶液蒸发量，获取蒸发速率。

1.3 蒸发速率的计算

蒸发速率计算公式见下式：

(1)

则：W=(M1-M2)×6

(2)

(3)

式中：V——蒸发速率，kg/m2·h；S——实验溶液表面积，m2；W——每小时蒸发量,kg；M1——实验前溶液重量,kg；M2——实验后溶液重量,kg；d——培养皿直径,m。

2 结果与讨论

蒸发可以看作是溶液中的水汽化过程。而水分子间的氢键作用是液态水的一个重要特征，溶液中的水分子可通过氢键作用形成网状结构，这种结构被称为水结构[11]。而当液态水中加入无机盐离子会导致水结构发生变化如溶液的黏度和表面张力等，从而影响溶液的蒸发速率。

2.1 氯化钠浓度对溶液蒸发效率的影响

氯化钠在自然条件下的蒸发效率直接影响盐田制盐的效率和经济效益，蒸发速率越大则表明蒸发效率越高。不同质量浓度氯化钠对蒸发速率的影响见图1。

从图1看出，在温度为19 ℃～20 ℃、湿度为9%～10%的实验条件下随着氯化钠质量浓度逐渐升高蒸发速率逐渐降低。在氯化钠质量浓度为100 g/L时蒸发速率为0.111 6 kg/m2·h,在200 g/L时蒸发速率下降为0.098 4 kg/m2·h。浓度增加了1倍，蒸发速率下降11.82%，由于钠离子直径为95 pm,直径不大属于结构制造性盐，溶液的黏度会随着溶液浓度增加而增大，但黏度增大幅度较小，在氯化钠浓度为0时溶液黏度为1 mPa·s当浓度增加到175.5 g/L时黏度约为1.45 mPa·s；而氯化镁溶液在171 g/L时溶液黏度已达到了2.0 mPa·s[10]。所以相同浓度氯化钠溶液与氯化镁溶液相比对黏度较小，而蒸发速率则较大。

2.2 氯化钾质量浓度对溶液蒸发效率的影响

盐湖中的氯化钾是生产钾肥的原料，不同质量浓度氯化钾对蒸发速率的影响见图2。由图2可以看出随着质量浓度增加蒸发速率下降趋势与氯化钠相差不大，在氯化钾质量浓度为100 g/L时蒸发速率为0.105 6 kg/m2·h,在200 g/L时蒸发速率下降为0.081 6 kg/m2·h与100 g/L比下降了13.64%。钾离子直径较大133 pm，为结构破坏性盐。钾离子对周围水分子束缚能力不强，对水分子的结构影响较小，所以氯化钾的浓度几乎不影响其溶液的黏度。同时氯化钾是一种水结构疏散盐，钾离子半径大，水合数相对于氯化镁较小，所以表面张力随着溶液浓度增加的趋势相对较小。相同浓度氯化钾表面张力比氯化镁要小，黏度也比氯化镁小，所以蒸发速率比氯化镁快。

2.3 氯化镁质量浓度对溶液蒸发效率的影响

长期实践生产表明卤水中的氯化镁会对盐湖在自然条件下晒制成合格卤水产生影响。不同质量浓度的氯化镁对盐溶液蒸发速率的影响见图3。

图3中氯化镁溶液蒸发速率随着质量浓度增加下降的趋势相对于氯化钠和氯化钾更加明显。在氯化镁质量浓度为100 g/L时蒸发速率为0.096 6 kg/m2·h,相对于氯化钠和氯化钾分别下降了13.44%和8.52%；在200 g/L时蒸发速率下降为0.081 6 kg/m2·h-1和氯化钠及氯化钾相比下降了17.07%和10.53%。镁离子半径为65 pm属于结构制造性盐，镁离子可以牢固束缚周围的水分子，增强了水结构，减小了溶液中水分子流动性。黏度值随着浓度增加而快速增加。相同浓度下氯化镁溶液的黏度比氯化钠和氯化钾大得多。同时氯化镁是一种水结构致密盐，离子半径较小水合数较大，在溶液中完全水合，表面张力随溶液浓度增加而急速增大，所以相同浓度氯化镁蒸发速率比氯化钾和氯化钠都慢得多。这也致使在实际生产中氯化镁无法被浮选。