正交法優化鋰云母中鉀的提取條件

湯洪波，周 健，梅光泉

(1.宜春學院 江西省高等學校應用化學與化學生物學重點實驗室，江西 宜春 336000；2.宜春學院 江西省天然藥物活性成分研究重點實驗室，江西 宜春 336000)

鋰云母是鉀和鋰的基性鋁硅酸鹽，是最常見的鋰礦物，也是提煉鉀的重要礦物。我國鋰礦資源豐富，以目前我國的鋰鹽產量計算，僅江西鋰礦就可供開采上百年。宜春鉭鈮礦是世界上最大的鋰礦，產量占全國的22.5%。

鉀是鋰云母礦中重要的金屬，和鋰同為第一主族的堿金屬元素，具有較為相似的性質[1，2]，宜春鋰云母精礦中Li2O、K2O的含量分別為4.50%和8.60%[3]，在用硫酸處理鋰云母的溶出過程中，鉀同鋰一道溶出，因此必須研究鉀的溶出行為，以便在設計溶出工藝時綜合考慮鉀的回收，提高資源的綜合利用率。

作者采用正交法研究了用硫酸處理鋰云母的浸取反應[4]過程中相關因素對鉀的溶出行為的影響，優化了鉀的提取條件，以進一步完善從鋰云母中溶出鉀的工藝[5]。

1 實驗

1.1 材料、試劑與儀器

鋰云母(粒度150～180 μm)，宜春。

氯化鉀(KCl)、氯化銫(CsCl)，優級純，阿拉丁公司；濃硫酸(分析純)、硝酸、鹽酸，優級純，南昌鑫光精細化工廠；配制試劑用水為超純水。

TAS-990型原子吸收光譜儀，北京普析通用儀器有限公司；鉀空心陰極燈，北京君睿科技有限公司；電動攪拌機，江蘇江陰市周莊電器五金廠；MH-1000型調溫型電熱套，北京科偉永興儀器有限公司；BS223S型電子天平(精密度0.0001 g)，江西華科精密儀器有限公司。

1.2 溶液的配制

1.2.1 1% CsCl溶液的配制

稱取0.5000 g CsCl固體，置于50 mL燒杯中，用10 mL水溶解后，移入50 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，即得1% CsCl溶液。

1.2.2 鉀標準溶液配制

準確稱取經105～120 ℃干燥處理的KCl固體0.1583 g，溶于1 mL鹽酸中，用超純水定容至100 mL，混勻，儲于聚乙烯容量瓶中，得1 mg·mL-1的K2O溶液，即鉀標準貯存液。在50 mL的聚乙烯容量瓶中分別準確移入鉀標準貯存液0 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL，各加入2.00 mL HNO3和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，即得K2O濃度分別為0 μg·mL-1、1 μg·mL-1、2 μg·mL-1、4 μg·mL-1、6 μg·mL-1、8 μg·mL-1的鉀標準溶液。

1.3 方法

稱取鋰云母粉100 g置于蒸餾燒瓶中，加入一定量的濃硫酸和水，在110～120 ℃攪拌回流反應一定時間，得含鉀的硫酸溶液。反應結束后，過濾，移取10 mL濾液于100 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，得樣品貯存液。再精確移取0.33 mL樣品貯存液于聚乙烯容量瓶中，加入2.00 mL HNO3溶液和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，得含鉀的樣品液。采用火焰原子吸收光譜法測樣品液中K2O的量。

1.4 正交實驗設計

為了優化從鋰云母中溶出鉀的工藝，以每100 g鋰云母提取K2O的量為指標，以硫酸質量分數、反應時間、液固質量比為考察因素，每個因素設3個水平，且不考慮各因素的相互作用，設計L9(34)正交實驗[5，6]，如表1所示。

表1 正交實驗因素與水平

1.5 火焰原子吸收光譜儀工作條件(表2)

表2 火焰原子吸收光譜儀工作條件

2 結果與討論

2.1 K2O標準曲線繪制

以火焰原子吸收光譜儀測定鉀標準溶液的吸光度，結果見表3。以吸光度(A)對K2O濃度(c)作圖，擬合線性回歸方程為：A=0.3445c+0.2774(R2=0.9517)。

表3 鉀標準溶液的吸光度

2.2 正交實驗結果與分析(表4)

表4 正交實驗結果與分析

由表4可知，各因素對從鋰云母中提取鉀的影響大小依次為：反應時間>硫酸質量分數>液固質量比，鋰云母中鉀的最佳提取條件為A1B3C2，即硫酸質量分數為40%、反應時間為8 h、液固質量比為2.5∶1(g∶g)。

2.3 討論

(1)在配制鉀標準溶液時，由于移取不同體積的鉀標準貯存液時使用了不同體積和規格的移液管，產生了偏差，導致繪制的K2O標準曲線的相關性(R2=0.9517)不是很好，但影響不大，可忽略不計。

(2)用濃硫酸對鋰云母進行回流浸取后，得到的含鉀的硫酸溶液中含較多不溶性雜質，須采用過濾法去除雜質。

3 結論

以100 g鋰云母提取K2O的量為指標，采用火焰原子吸收光譜進行檢測，考察硫酸質量分數、反應時間和液固質量比3個主要因素對從鋰云母中溶出鉀的影響。通過正交實驗確定鋰云母中鉀的最佳提取條件為：硫酸質量分數40%、反應時間8 h、液固質量比2.5∶1(g∶g)。

[1] 曹錫章，宋天佑，王杏喬.無機化學[M].北京:高等教育出版社，1985：121-123.

[2] 汪貽水，彭觥.六十四種有色金屬[M].長沙:中南工業大學出版社，1998：58-65.

[3] 王文祥，黃際芬，劉志宏.聯合壓煮法處理宜春鋰云母時鉀的溶出行為[J].江西冶金，2001，21(2):25-26.

[4] 喬玲，周本華，姚成.鋰云母中提取鋰的方法初步研究[J].無機鹽工業，2004，36(4):30-31.

[5] 徐鑫，張學蘭，唐超.正交法優選炒菟絲子的最佳炮制工藝[J].中成藥，2011，33(2):359-361.