西台吉乃尔盐湖卤水锂硼的迁移规律

王子浩，杜 威，闫 泽，张 蕾，王松博，唐 娜*，吴 蝉，秦佳政，乜 贞

(1.天津科技大学 化工与材料学院，天津市卤水化工与资源生态化利用重点实验室，天津 300457；2.青海中信国安锂业发展有限公司，青海 格尔木 816000；3.中国地质科学院 矿产资源研究所，自然资源部 盐湖资源与环境重点实验室，北京 100037)

盐湖类型可分为氯化物型[1-4]、碳酸盐型[5-7]和硫酸盐型[8-10]。西台吉乃尔盐湖主矿区位于中国西北部青海省内著名的柴达木盆地中部[11-15]，其盐湖面积达到了570 km2，属于典型的硫酸镁亚型[16]盐湖，是多种盐类并存资源丰富的盐湖矿床，对西台吉乃尔盐湖卤水的开发利用研究、对青海柴达木盐湖资源的综合开发具有重要意义。盐湖中除了常见的氯化钠石盐外，还有锂、钾、镁、硼等资源元素，通过对盐湖资源综合利用技术进行系统探究，有利于技术的发展和推广，实现国内盐湖卤水科学高效、合理、可持续绿色开发，具有一定的意义。

张永生等[17]研究了扎布耶盐湖卤水在15 ℃下蒸发析盐规律，发现在卤水浓缩过程中碳酸锂的沉积不集中，难以获得高品位的富锂混盐。杨建元等[18]研究了西藏扎布耶盐湖卤水的蒸发析盐规律，借助五元体系介稳相图对蒸发浓缩过程进行相图分析，初步探究出锂、硼元素的利用方向。卜令忠等[19]利用计算机模拟方法对卤水蒸发析盐顺序、卤水组成进行模拟研究，为实际生产提供参考。谈其等[14]对西台吉乃尔盐湖卤水进行了等温蒸发研究其析盐规律，通过五元体系介稳相图指导析盐规律，从而得到最佳的元素开发利用条件，进而对资源元素进行合理开发利用。

基于此，根据西台吉乃尔盐湖矿区气候条件和盐湖卤水组成，针对目前该盐湖盐田生产锂、硼等资源损失量大的问题，并结合实际气候条件，根据现场调研，西台吉乃尔盐湖盐田卤水温度夏季可达30 ℃，秋季卤水温度降至10 ℃以下。文章通过沸腾蒸发—等温平衡法，探究了10 ℃和30 ℃下盐湖卤水的蒸发析盐规律及过程中锂、硼等资源元素的迁移规律，为盐田实际生产与湖盐开采探究提供数据支撑。

1 实验部分

1.1 实验方法

1.1.1 卤水蒸发实验方法

根据西台吉乃尔盐湖卤水原卤组成(2.1的表3中L1所示)，于实验室配制模拟卤水。采用沸腾蒸发—等温平衡法，首先量取质量为M原(g)的卤水于搪瓷盆中，接通搅拌装置于电磁炉上沸腾蒸发，控制蒸发后剩余浆液体积和剩余质量M剩(g)，然后迅速转移到恒温水浴槽中(10 ℃和30 ℃)继续搅拌。剩余固液混合物恒温搅拌平衡48 h后，用布氏漏斗进行固液分离，并准确称取湿固相重量M2(g)。将湿固相放入60 ℃鼓风干燥箱中干燥，间隔一定时间取出称量固体质量，连续两次质量不再变化证明已经完全烘干。使用研钵研磨混合均匀，取一定质量的平衡固相溶解稀释后进行化学组成分析，同时采用X射线粉末衍射(P-XRD)对平衡固相进行成分鉴定，其中卤水蒸失水率计算见式(1)。

(1)

式中：W——卤水蒸失水率，%；M原——蒸发时所取卤水的质量，g；M剩——蒸发后卤水和析出固相总的质量，g。

1.1.2 锂元素组成分析方法

根据青海省地方标准DB63/ 1849-2020《卤水中锂的测定 电感耦合等离子体质谱法》所述，先将样品用(5+95)硝酸稀释至总盐度在1 g/L以下，再进行标准曲线配置，将1 000 mg/L锂标准溶液分别稀释至0 mg/L、0.2 mg/L、0.5 mg/L、1 mg/L、2 mg/L、4 mg/L的6个标准点，经测试后，标准曲线见图1，其中R2=0.999 987。

图1 锂离子测试标准曲线Fig.1 Lithium ion test standard curve

1.2 实验药品和仪器

在实验过程中所用锂标液、硼标液和氯化钠基准试剂均为标准品，其余化学试剂均为分析纯，实验所用仪器见表1。

表1 实验仪器Tab.1 Experimental apparatus

1.3 平衡液相和固相化学组成分析

表2 平衡液相和固相化学组成分析方法Tab.2 Analysis method for chemical composition of equilibrium liquid and solid phases

续表2 (Continue)

2 结果与讨论

2.1 盐湖卤水在10 ℃下锂硼迁移规律

10 ℃下，平衡液相各离子浓度随蒸失水率变化见表3和图2。

表3 10 ℃下盐湖卤水蒸发过程平衡液相组成Tab.3 The composition of equilibrium liquid phase during brine evaporation process at 10 ℃

图2 卤水10℃蒸发过程液相锂硼浓度随蒸失水率的变化趋势Fig.2 Variation of liquid phase lithium and boron concentration with water loss rate during brine evaporation at 10 ℃

图3 10 ℃平衡液相在五元体系15 ℃相图中的蒸发路径Fig.3 Brine evaporation route of 10 ℃ equilibrium liquid phase in phase diagram at 15 ℃

10 ℃下，蒸发析盐过程中平衡固相各离子含量随蒸失水率变化见表4和图4。

表4 卤水10℃蒸发过程平衡固相组成数据Tab.4 The composition of equilibrium solid phase during brine evaporation process at 10 ℃ %

图4 卤水10 ℃蒸发过程锂硼固相含量随蒸失水率的变化Fig.4 Variation of solid phase lithium and boron content with water loss rate during brine evaporation at 10 ℃

根据相图、固液相组成和XRD表征情况(图5～图7)，西台吉乃尔盐湖模拟卤水10 ℃“沸腾蒸发—等温平衡”析盐过程可分为三个主要阶段，并具体分析锂硼资源元素在三个阶段中的迁移情况。

图5 氯化钠析出阶段固相XRD鉴定图Fig.5 XRD identification diagram of solid phase in NaCl precipitation stage

图6 钾混盐析出阶段固相的XRD鉴定图Fig.6 XRD identification diagram of solid phase in the precipition phase of potassium mixed salt

图7 光卤石析出阶段固相的XRD鉴定图Fig.7 XRD identification diagram of solid phase in carnallite precipitation phase

2.2 盐湖卤水在30 ℃下锂硼迁移规律

30 ℃平衡液相和平衡固相各离子浓度随蒸失水率变化见表5和表6，其蒸发析盐规律的判断和锂硼迁移规律与10 ℃基本相同，根据与10 ℃下卤水蒸发析盐规律和锂硼迁移规律相同的分析方法，得出结论，30 ℃下卤水析盐过程也可以分为三个主要阶段以及过程中锂硼元素的迁移规律如下：

表5 卤水30 ℃蒸发过程平衡液相组成Tab.5 The composition of equilibrium liquid phase during brine evaporation process at 30 ℃

表6 卤水30 ℃蒸发过程平衡固相组成Tab.6 The composition of equilibrium solid phase during brine evaporation process at 30 ℃ %

续表6 (Continue) %

3 结论