五元体系NaCl+KCl+MgCl2+SrCl2+H2O(NaCl饱和)在288 K时相平衡研究

合理开发利用四川盆地地下卤水资源,对卤水体系开展多温相平衡与相图的研究具有重要意义。本文通过等温溶解平衡法对在288 K时五元体系NaCl+KCl+MgCl₂₊SrCl₂₊H₂O(NaCl饱和)进行了相平衡实验研究,运用化学分析法以及X-ray粉晶衍射法分别确定了在288 K温度条件下该体系的平衡液相和平衡固相组成。通过固液相平衡实验数据,绘制了该五元体系以NaCl为饱和区域的干盐相图、水含量图以及氯化钠含量变化图。研究结果表明在288 K且NaCl饱和条件下,该五元体系干盐相图含有2个五元共饱和点、5条等温溶解度曲线和4个固相结晶区(KCl、MgCl₂·6H₂O、KCl·MgCl₂·6H₂O和SrCl₂·6H₂O)。固相结晶区KCl在该干盐相图中面积最大,其次是SrCl₂·6H₂O,而MgCl₂·6H₂O的结晶区面积最小,说明KCl在饱和溶液中的溶解度较小,易析出而得到分离,而MgCl₂的溶解度最大,难以从饱和溶液中结晶析出,且MgCl₂·6H₂O对KCl和SrCl₂·6H₂O有强烈盐析作用。通过对本体系热力学相平衡实验研究和多温相平衡的对比讨论,揭示了钾锶镁等含氯化物卤水体系在多温相平衡与相图条件下的结晶析盐规律,为液态矿产资源开发利用提供理论指导。     

三元体系CaCl2-SrCl2-H2O相平衡在高钙锶比卤水体系中分离提取氯化锶的应用

采用等温溶解平衡法测定了三元体系CaCl₂-SrCl₂-H₂O温度在353.15 K时共饱和点的溶解度。基于实验结果和文献已有报道的该体系多温下的相平衡数据,模拟了南翼山油田卤水中氯化钙和氯化锶在温度323.15 K下的分离实验。模拟钙锶分离实验结果表明,物质的量比为25.41∶1的CaCl₂和SrCl₂的混合溶液在323.15 K下蒸发结晶提纯后的固相中钙锶物质的量比降低为1.73∶1,SrCl₂的回收率为52.47%,将所得一次固相产品在323.15 K下溶解并再次蒸发后,钙和锶的物质的量比从1.73∶1降至1.1∶1,SrCl₂的回收率为78.67%,SrCl₂的总回收率为41.28%。     

Li+,Na+,K+/Cl-,SO2-4-H2O五元体系25 ℃相图及其应用

Li⁺,Na⁺,K⁺/Cl-,SO2-₄-H₂O五元体系相图对于硫酸钠亚型富锂卤水分离提取锂盐、锂辉石加工利用和锂盐产品的开发利用工艺制定都有指导作用。20世纪50年代曾有人研究过这一体系25 ℃时的相图,限于当时的科研水平,液相组成确定不准确,对平衡固相的判断,后来诸多研究结果证明也有错误。50多年来再没有人研究这一五元体系相图。利用我们提出的Li⁺,Na⁺,K⁺/Cl^-,SO^2-₄-H₂O六元体系热力学模型,对该五元体系的平衡溶液组成和正确的平衡固相进行理论预测,给出了该体系的完整相图。结合硫酸锂混盐分离、加工实例阐述了该五元体系相图的应用。     

三元体系LiCl-Li2SO4-H2O和Li2SO4-Na2SO4-H2O 333.15 K相平衡研究

采用等温溶解平衡法研究了三元体系LiCl-Li₂SO₄-H₂O和Li₂SO₄-Na₂SO₄-H₂O在333.15 K下的相平衡关系,测定了333.15 K条件下两个体系平衡溶液的溶解度,根据溶解度数据绘制了两个三元体系的相图。研究发现:在三元体系LiCl-Li₂SO₄-H₂O中,相图由两条单变曲线、一个不变点和两个结晶区组成,平衡固相为LiCl·H₂O和Li₂SO₄·H₂O;在三元体系Li₂SO₄-Na₂SO₄-H₂O中,相图由两个不变点、三条单变曲线和三个结晶区组成,平衡固相分别为Li₂SO₄·H₂O、Na₂SO₄和Li₂SO₄·Na₂SO₄。     

三元体系CaCl2?SrCl2?H2O的相平衡及其在钙锶分离中的应用

采用等温溶解平衡法研究了三元体系CaCl₂?SrCl₂?H₂O温度从323.15 K到353.15 K范围内的相平衡。基于该三元体系多温下的相平衡数据,设计开展了实验室模拟南翼山油田卤水中氯化钙和氯化锶在温度323.15 K下的分离实验。实验室模拟钙锶分离实验结果表明,在323.15 K下时分离一次固相产品中的钙锶摩尔比可以从25.46:1降至1.73:1,SrCl₂的回收率为52.47 %,所得一次固相产品在323.15 K下溶解并再次蒸发。钙和锶的摩尔比从1.73:1降至1.1:1,SrCl₂的回收率为78.67 %。     

PEG400 - NaCl/KCl - H2O三元体系298 K溶解度、密度、折光率研究

采用等温溶解平衡法研究了 298 K下三元体系NaCl/KCl - PEG400 - H2O的相平衡关系,绘制了相应的相图、密度-组成图和折光率-组成图。研究发现：298 K下,两个三元体系均无分层现象,只存在固液相平衡关系,其平衡相图由不饱和液相区(L)和一固一液区(S+L)构成。PEG400对NaCl、KCl有一定的盐析作用,随着溶液中PEG400含量不断增加单盐溶解度减小。     

拉果错盐湖卤水蒸发过程中Li+富集行为的分子动力学模拟

采用分子动力学模拟,研究了西藏拉果错盐湖卤水中阴、阳离子以及水分子间的相互作用行为。以盐湖卤水等温蒸发过程中粒子浓度变化的四个阶段为研究对象,分别计算了不同体系的扩散系数、配位数、均方位移和径向分布函数。计算结果表明,液相浓度越低时,H₂O分子对各离子之间的相互作用有抑制作用,液相中离子浓度越高时,SO₄2-易与CO₃2-竞争Li⁺形成离子对,从而影响盐湖卤水中Li⁺的富集。本文研究结果对盐湖卤水中Li⁺的迁移行为作出了机理解释,为盐湖卤水提锂的发展奠定了理论基础。     

察尔汗盐湖察尔汗二级系统S_3盐层晶间卤水及固相化学成分的相关性研究

通过对化学成分相关性的研究认为,晶间卤水中的NaCl是饱和的,MgCl2是不饱和的,KCl饱和与不饱和两种卤水共存。随着晶间卤水密度的降低,NaCl含量升高,MgCl2含量降低,KCl含量先升后降。且存在高钾晶卤带和高钾固相带。晶间卤水浓度变化的原因是阶段性淡化。固相钾主要以光卤石形式存在,晶卤钾与固相钾存在单向平衡。目前,S3盐层大部分部位的光卤石处于溶解状态,溶解的KCl进入晶间卤水,MgCl2仍留存于固相中;可溶性镁在盐层中可能存在另一种形式—被粘土吸附。在S3盐层沉积和盐湖干涸过程,曾出现盐滩和湖水并存的局面。     

四元体系Li2SO4+Na2SO4+K2SO4+H2O298.2 K相平衡研究

为了获取锂钠钾共存硫酸盐体系298.2 K下各盐结晶形式,采用等温溶解平衡法研究了298.2 K下四元体系Li₂SO₄₊Na₂SO₄₊K₂SO₄₊H₂O的相平衡关系,测定了该体系的溶解度和密度,采用X-ray粉晶衍射法测定了平衡固相组成,并绘制了相应的稳定相图和多温对比图。研究表明,298.2 K下该四元体系为复杂四元体系,有复盐2Li₂SO₄·Na₂SO₄·K₂SO₄、Li₂SO₄·3Na₂SO₄·12H₂O、LiKSO₄、Na₂SO₄·3K₂SO₄生成。其稳定相图由6个四元共饱点、12条单变量曲线以及7个结晶区组成。其中,复盐Na₂SO₄·3K₂SO₄结晶区最大,表明其在该体系中最易结晶析出;Li₂SO₄·H₂O结晶区最小。对比273.2 K、288.2 K、298.2 K、323.2 K、373.2 K四元体系多温相图可知,273.2 K时未发现复盐Na₂SO₄·3K₂SO₄和2Li₂SO₄·Na₂SO₄·K₂SO₄结晶形式;Na₂SO₄·10H₂O和Li₂SO₄·3Na₂SO₄·12H₂O结晶形式在323.2 K和373.2 K时转变为Na₂SO₄和Li₂SO₄·Na₂SO₄。288.2~373.2 K时随温度升高,K₂SO₄和Na₂SO₄·10H₂O结晶相区减小,Li₂SO₄·H₂O、Na₂SO₄、LiKSO₄和Li₂SO₄·Na₂SO₄结晶相区增大;Na₂SO₄·3K₂SO₄结晶相区先增大后减小,在298.2 K时结晶相区最大;2Li₂SO₄·Na₂SO₄·K₂SO₄结晶相区先减小后增大,298.2 K时结晶相区最小。     

Na+,K+,Rb+,Cs+//SO2-4-H2O体系固液相平衡热力学模拟

锂云母、铯榴石等矿物的硫酸盐焙烧浸出,是从中提取锂铷铯钾等碱金属元素的重要步骤,所得硫酸盐浸出液可近似看作Li⁺,Na⁺,K⁺,Rb⁺,Cs+ // SO₄2--H₂O六元水盐体系;其在浓缩过程呈现复杂的成盐特征,增加了各碱金属元素分离提取的难度,研究其相关水盐体系相图和相平衡性质对理解浸出液中碱金属的分离具有重要的理论指导意义。本文采用Pitzer-Simonson-Clegg超额Gibbs自由能方程和具有内在热力学一致性的CALPHAD方法,构建了Na⁺,K⁺,Rb⁺,Cs⁺//SO₄2--H₂O五元体系的多温固液相平衡热力学模型。借助该模型:1)实现了对Na₂SO₄₊Rb₂SO₄₊H₂O、Na₂SO₄₊Cs₂SO₄₊H₂O和K₂SO₄₊Cs₂SO₄₊H₂O三元体系的多温溶解度等温线的准确描述,并进一步构建了这些体系在240.15~380.15 K温度范围内的多温相图;2)实现了对K₂SO₄+Rb₂SO₄₊H₂O和Rb₂SO₄₊Cs₂SO₄₊H₂O体系中存在的固溶体相—水溶液平衡关系的准确描述,确认了(K,Rb)₂SO₄连续固溶体、以及(Rb,Cs)₂SO₄(α)和(Rb,Cs)₂SO₄(β)间断固溶体存在的合理性;3)预测了上述五元体系中所包含的全部4个四元子体系(Na₂SO₄₊ K₂SO₄₊ Rb₂SO₄+H₂O、Na₂SO₄ + K₂SO₄₊Cs₂SO₄₊ H₂O、Na₂SO₄₊ Rb₂SO₄₊Cs₂SO₄ + H₂O和K₂SO₄₊Rb₂SO₄₊Cs₂SO₄₊ H₂O)的相图,明确了四元相图中固溶体的类型及形成区域。然而,模型预测结果与现有四元体系实验数据间存在普遍的不一致性,尤其是固溶体形成区域,但模型预测结果从非实验角度给出了重要参考,对现有实验提出了挑战,未来对这些体系开展更为精细的实验研究非常必要。     

Mg(BO2)2在MgSO4和MgCl2-MgSO4水溶液中分解的相平衡与物种化学平衡

硫酸镁亚型盐湖老卤是MgCl₂、MgSO₄的饱和溶液体系,富集了Mg、B、Li等元素。本文针对含硼水盐体系热力学难以表达的问题,开展了硼在水盐体系存在形态及其平衡关系的研究。利用易于水解的Mg(BO₂)₂作为硼源,借助拉曼光谱和X射线衍射(XRD)为检测手段,定量研究Mg(BO₂)₂在MgSO₄-H₂O、MgSO₄-MgCl₂-H₂O体系中水解硼物种转化规律。结果表明:(1)Mg(BO₂)₂在MgSO₄溶液中的水解固相为MgB₂O(OH)6、MgB₄O₇·9H₂O和Mg(OH)₂;在MgSO₄-MgCl₂-H₂O溶液中水解固相为Mg₂B₆O₁₁·15H₂O、MgB₄O₇·9H₂O、Mg₂Cl(OH)₃·4H₂O。(2)Mg(BO₂)₂在MgSO₄溶液中水解,液相硼物种主要有B₃O₃(OH)-₄、B₃O₃(OH)₅2-、B(OH)-₄、B₄O₅(OH)₄2-、H₃BO₃,其分布受MgSO₄浓度影响很大,MgSO₄浓度从0增加至饱和,B₃O₃(OH)-₄始终占总硼量的50.07%以上,B₃O₃(OH)₅2-占液相总硼从4.77%上升至37.16%为第2化学物种。(3)在MgSO₄-MgCl₂-H₂O溶液中,硼物种的主要形态有B₃O₃(OH)-₄、B₃O₃(OH)₅2-、B(OH)-₄,其分布 随[Cl₂2-]/([Cl₂2-]+[SO₄2-])变化很大,在MgCl₂和MgSO₄的共饱溶液中,分别占液相总硼量的58.91%,14.62%和12.81%。(4)液相硼物种之间平衡关系的活度商lnQ,不仅与溶液pH、水活度有关,还与MgSO₄、MgCl₂摩尔浓度呈二元线性关系,这样就可将硼在H₃BO₃-NaOH体系物种分布关系的lnQ扩展到 (MgSO₄,MgCl₂,MgSO₄-MgCl₂)水溶液的多元体系。由此获得硼物种的量化关系,可为推算硼在水盐体系的物种分布,进而计算含硼电解质溶液热力学性质提供依据。     

察尔汗盐湖铷资源利用——从基础认知到技术创新

铷是诸多高新技术领域中的关键元素。青海察尔汗盐湖卤水中蕴藏着丰富的铷资源,但由于铷浓度极低,且与大量钠、钾、镁等离子共存,提取难度极大。利用已知技术从察尔汗盐湖卤水中直接提取铷难以满足经济性约束的前提,这成为察尔汗盐湖铷资源难以利用的症结之一。本文从理论和实验两个方面分析了NaCl+KCl+RbCl+MgCl₂+H₂O体系中(K,Rb)Cl和铷钾光卤石固溶体—水溶液平衡对察尔汗盐湖卤水中铷分布的制约作用,确定了钾光卤石基固溶体是控制卤水中微量铷进入固相的关键矿物,钾光卤石的形成会使卤水中的铷浓度迅速下降至极低水平。用光卤石矿生产氯化钾,铷几乎全部进入氯化钾产品中,这一结论得到了现场盐田样品分析结果的支持。在上述新认知的启发下,我们设计了从察尔汗盐湖氯化钾产品中浓缩铷的工艺流程,并进行了公斤级小试和吨级放大试验,获得了铷浓度为400 mg/L的富铷料液,其中镁/铷比和钾/铷比均大幅降低;此外,进一步利用本团队成熟的t-BAMBP萃取方法可高效提取氯化铷,其工艺综合成本约为2 090 元/kg,较好满足了察尔汗盐湖铷资源开发的经济性前提。     

三元体系K2B4O7-KBr-H2O在323K的相平衡研究

采用等温溶解平衡法研究了三元体系K2B4O7-KBr-H2O在323 K的相平衡关系及密度。研究发现,该三元体系为简单共饱和型,无复盐及固溶体形成。根据溶解度数据绘制了相图,相图中有一个共饱点,两条单变曲线,单变量曲线所对应的平衡固相分别为K2B4O7.4H2O和KBr;实验结果表明KBr对K2B4O7有较强的盐析作用。并简要讨论了密度变化规律。     

六元体系Li–Na–K–Mg–Cl–SO4–H2O多温相平衡预测

采用基于扩展UNIQUAC模型的AQSOL027软件针对水盐体系Li–Na–K–Mg–Cl–SO₄–H₂O的六个五元子体系进行相平衡理论计算,首次报道了多个五元子体系在多个温度条件下的相图,将计算相图与已有实验相图以及基于其它热力学模型的计算相图进行了比较。结果表明：AQSOL027在相图计算中具有较好的准确性和可靠性。AQSOL027是一款基于Excel、用于计算复杂多温水-盐体系Li–Na–K–Mg–Ca–H–Cl–(HSO₄/SO₄)–(CO₂/HCO₃/CO₃)–(H₃BO₃/B₄O₇/BO₂)–OH–H₂O的计算机软件,集成了扩展UNIQUAC模型和相平衡算法,该软件可结合SysCAD和Aspen过程模拟器,实现盐田工艺过程的计算机辅助设计。     

柴西尕斯库勒地区深部孔隙卤水水化学特征及成因分析

深部孔隙卤水是近年来盐湖勘查的工作重点。对尕斯库勒地区深部孔隙卤水的离子特征及聚类分析显示：卤水中的K₊、B₂O₃和Li₊具有相似的物质来源,且各离子之间具有普遍的相关性；孔隙卤水中的钾、镁、锂具有相对较高的品位,各离子含量普遍呈现一个自南向北增大的趋势,而且上部卤水离子浓度普遍高于下部.综上,尕斯库勒地区北部段深部具有较好的钾、镁、锂找矿前景。根据卤水的特征系数及其在K₊、Na₊、Mg₂₊∥Cl_－、-H₂O(25°)介稳相图中的分布,推测尕斯库勒地区深部孔隙卤水的主要来源,既有溶滤表层晶间层的溶滤水,又有深部的沉积水,显示出典型的多源性。     

基于盐湖尾卤溶液结构变化的镁锂分离研究

盐湖卤水提锂工艺的难点之一在于卤水中镁锂比过高。采用红外光谱对非平衡动态降温过程中溶液结构变化进行分析,测定不同类型单盐溶液和卤水的结构变化,并基于此规律强化盐湖尾卤的镁锂分离。结果表明,MgSO4 溶液在40 ℃及以上时, 984 cm-1 处的特征峰显示可能出现接触式离子对结构(Mg²⁺-SO₄2-);1 280 cm-1处出现溶剂共享型离子对结构( Mg²⁺-H₂O-SO₄2-);Li₂SO₄溶液中出现溶剂共享型离子对结构的可能性低,镁锂之间会出现结构差异。基于如上溶液结构的变化,通过非平衡动态降温过程,实现盐湖尾卤中的镁锂分离,镁锂质量比值可由最初的40降至20左右,Mg²⁺以MgSO₄·nH₂O型混合结晶产品的形式从卤水中析出,而液相中Li⁺的损失率可低至5.01%以下,以此达到了脱镁及锂富集的效果。     

KBr-K2SO4-H2O体系在318.15 K下的热力学性质和相平衡预测研究

本文采用电动势法对318.15 K下三元体系KBr-K₂SO₄-H₂O的热力学性质进行研究。首先,测定了KBr-H₂O溶液中KBr的电动势,线性回归出电极响应斜率κ和电极常数E⁰,结果表明实验所用离子选择性电极具有良好的能斯特响应。然后,对318.15 K下三元体系KBr-K₂SO₄-H₂O混合溶液中KBr的平均活度系数进行了研究,绘制了离子强度I及离子强度分数y_b与KBr的平均活度系数关系图,由图可得,当离子强度I一定,随着离子强度分数 y_b增大,KBr平均活度系数逐渐减小,且减小的趋势越来越大。当离子强度分数y_b是个定值时,KBr平均活度系数随着离子强度I的增大而减小。应用活度系数数据通过多元线性回归拟合出该温度条件下Pitzer模型混合离子作用参数θBr,SO₄和ψK,Br,SO₄,并计算了混合溶液中K₂SO₄的平均活度系数、渗透系数Φ,水活度a_w,超额吉布斯自由能GE。应用拟合的Pitzer混合离子相互作用参数和Pitzer模型计算了该三元体系在318.15 K下的溶解度数据,并对计算结果和其他温度下已经报道的KBr-K₂SO₄-H₂O三元体系的共饱和点处的溶解度数据进行比较,对比结果表明,溶解度计算结果可靠,拟合的离子相互作用参数具有较好的精度,可用于计算相关体系的热力学参数和相平衡的预测。     

Pitzer模型对盐湖卤水体系Li+-K+-Mg2+-SO2-4-H2O273.15 K时溶解度的预测

利用文献报道的单盐溶液水的渗透系数,结合Pitzer方程,进行了Li₂SO₄-K₂SO₄-MgSO₄-H₂O体系的参数化工作,得到了273.15 K和298.15 K Li₂SO₄、K₂SO₄、MgSO₄的单盐参数以及二离子和三离子相互作用参数。利用已获得的参数对Li₂SO₄-MgSO₄-H₂O体系、Li₂SO₄-K₂SO₄-H₂O体系、K₂SO₄-MgSO₄-H₂O体系273.15 K的溶解度进行了预测,并与已有的实验数据进行了比较,获得了比较满意的结果。首次利用Pitzer模型对Li₂SO₄-K₂SO₄-MgSO₄-H₂O体系273.15 K的溶解度进行了预测,可靠的理论预测结果减少了繁重的实验测定工作。     

补水溶矿过程中达布逊湖北岸地下卤水水化学变化特征初步研究

以察尔汗盐湖达布逊区段补水溶采区为研究区,靠近补水渠的D01、D03以及D05水文观测孔地下卤水为研究对象,通过水化学、相图等分析方法,研究了地下卤水在固液转化过程中水化学的时空变化特征及其影响因素。研究结果表明,储卤层中卤水化学特性在空间上具有明显差异性。在纵向上,随深度增加Na⁺、SO₄2-浓度、pH值降低,而Mg²⁺、Cl-、HCO₃-、Li⁺、B³⁺浓度、TDS和比重升高;在横向上,D01孔中卤水具有较高的Na⁺、SO₄2-、HCO₃-、Li⁺浓度、pH值以及较低的TDS和比重;D03孔中卤水具有较高的K⁺、B³⁺浓度;D05孔中具有较高的TDS、比重、Mg²⁺、Ca²⁺、Cl-以及Sr²⁺浓度。揭示了卤水在盐层中的滞留时间、盐层渗透性差异、矿物组合与分布及温度变化是影响地下卤水水化学分布特征的主要因素,并初步研究认为补水溶矿具有局限性,D01孔受补水影响最大,D03孔次之,D05孔受补水影响较弱。     

柴达木盆地大盐滩矿区深层晶间卤水的成因

柴达木盆地是一个典型的大陆成盐成钾盆地,盆地西部大盐滩矿区有着丰富的地下卤水资源,具有开发利用的远景。通过野外实地考察,采集大盐滩矿区不同深度(9.8m--133m)晶间卤水样品10件,油田水样品10件,分析了卤水水化学组成和氢氧同位素值。结果表明,晶间卤水矿化度较高(平均为363.94g/L),Na₊、Cl_-含量较高,同时富K₊、Mg₂₊、SO_42-,贫Ca₂₊,B、Li、Br、Sr等元素普遍富集,水化学类型为硫酸镁亚型;油田水矿化度较低(平均为39.02g/L),Na+、Cl_-含量占绝对优势,同时富Ca₂₊,贫Mg₂₊、SO_42-、HCO_3-,B、Sr含量较高,Li、Br含量较低,水化学类型为氯化物型。结合离子含量和水化学特征系数(钠氯系数和溴氯系数),揭示了大盐滩矿区晶间卤水主要为大气降水汇聚后经蒸发作用形成,深层晶间卤水(30m--133m)具有大气降水盐岩溶滤成因及受具有深部来源性质油田水补给的特征。氢氧同位素结果表明,卤水均发生了明显的“氢氧同位素正漂移”现象,深层晶间卤水(30m--133m)的δ₁₈O、δD值异常偏高,推断其与经过强烈蒸发浓缩作用的浅层晶间卤水(9.8m--11.5m)以及大气降水溶滤盐岩沿断裂下渗补给有关。