中國鹽湖鹵水蒸發實驗研究進展

姜旭，周保華，乜貞

（1.濟南大學，山東 濟南 250022；2.中國地質科學院礦產資源研究所）

綜述與專論

中國鹽湖鹵水蒸發實驗研究進展

姜旭1，2，周保華1，乜貞2

（1.濟南大學，山東 濟南 250022；2.中國地質科學院礦產資源研究所）

中國鹽湖眾多，鹽湖中礦產資源豐富，受鹽湖所處地理位置和自然氣候條件限制，鹽湖開發采取了不同的工藝路線。根據鹽湖鹵水的水化學類型不同可將鹽湖分為3類，即碳酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物型，每種鹽湖類型鹽湖鹵水相圖各異，鹽類礦物組成也不相同。針對3種類型鹽湖，中國鹽湖研究人員做了大量的鹽湖鹵水蒸發實驗研究工作，取得了不少科研成果。匯總了前人針對3種類型鹽湖鹵水所進行的蒸發實驗研究成果，分析了各類型鹵水蒸發濃縮規律和鹽類礦物特征，為相似鹽湖鹵水蒸發實驗研究提供參考。

鹽湖；鹵水；蒸發實驗；水化學類型；鹽類礦物

中國是世界上鹽湖分布最多的國家之一。中國鹽湖主要分布在西北部的干旱半干旱氣候區內，且分布不均，其邊界大致與500 mm等降水線相符［1］，基本以大興安嶺-太行山-秦嶺-岷山-橫斷山一線為界。此區域內鹽湖眾多，年日照時間長，降雨量稀少，蒸發量大。中國鹽湖的特點是類型齊全，并且固液共存，以液相為主，蘊藏著相當豐富的無機鹽資源，石鹽、鉀、鋰、硼、鎂、芒硝、天然堿等礦產開發利用價值十分巨大。鉀鹽和鋰鹽的開發在鹽湖資源開發利用中有著十分重要的地位［2-3］。鹵水蒸發實驗是鹽湖無機鹽礦產資源開發利用的研究基礎，對鹵水蒸發濃縮和析鹽規律的研究能直接用于指導鹽湖資源綜合利用。筆者旨在總結前人針對3種類型鹽湖鹵水（碳酸鹽型、硫酸鹽型和氯化物型）的蒸發實驗研究成果，研究各類型鹵水蒸發濃縮規律和鹽類礦物特征，為相似鹽湖鹵水蒸發實驗研究提供參考。

1 碳酸鹽型鹽湖

中國碳酸鹽型鹽湖較少，主要分布在中國鹽湖區的最南緣，從藏北高原向內蒙古方向延伸，構成了一個狹窄的碳酸鹽型鹽湖帶。中國碳酸鹽型鹽湖有西藏當雄錯鹽湖、扎布耶鹽湖、班戈湖以及內蒙古查干諾爾、察汗淖、鹽海子等。其中扎布耶鹽湖最具代表性，鹵水化學組成（質量分數）：Na，10.010%；K，3.160%；Li，0.081%；Rb，0.004 8%；Cs，0.001 2%；Br，0.030 9%；Cl-，12.060%；SO42-，2.980%；B2O3，0.840%；CO32-，3.410%。扎布耶鹽湖是中國乃至世界著名的鹽湖，該湖是一個超大型鋰硼鉀鹽礦床，特點是高鋰低鎂，其晶間鹵水Li+質量濃度可達1.5 g/L，而Mg含量幾乎為零。單就品位而言，鋰資源品位居世界第二，且鋰、硼、鉀資源儲量大，具有巨大的潛在經濟價值。除扎布耶鹽湖外，還有不少鹽湖鋰含量達到開發利用標準，但由于鹵水鎂鋰比高，制約鋰資源的開發利用，從而彰顯扎布耶鹽湖在鋰資源開發中的地位。

楊建元等［4］進行了西藏扎布耶鹽湖冬季鹵水25℃等溫蒸發實驗，發現鹵水等溫蒸發行為與Na+、K+∥Cl-、SO42-、CO32--H2O五元體系（25℃）介穩體系相圖基本吻合，析鹽順序為NaCl、NaK3（SO4）2、KCl、Na2CO3·7H2O，并發現鋰鹽析出更為集中，從而便于鋰鹽提取，在整個蒸發過程中，硼得到了過飽和富集，非常有利于硼的開發利用。張永生等［5］為更好地了解鹽湖鹵水在自然條件下的蒸發結晶規律，在15℃對扎布耶鹽湖鹵水進行了室內等溫蒸發實驗研究，發現在該溫度蒸發過程中，碳酸鋰分散沉淀，難以集中析出較高品位的富鋰混鹽，硼以硼砂析出，鉀以鉀芒硝和氯化鉀兩種礦物形式析出。鄭綿平等［6］對西藏扎布耶鹽湖秋季鹵水進行了25℃等溫蒸發實驗，發現鉀和硼砂主要在蒸發的后期析出，鋰的析出較分散，雖有2個析出高峰但含量不高。乜貞等［7］對比研究了前人的扎布耶鹽湖鹵水15℃和25℃等溫蒸發實驗數據，提出了這2個溫度下扎布耶鹽湖鹵水中元素富集和礦物析出規律的異同，指出了扎布耶鹽湖鹵水中鉀鹽、硼砂和碳酸鋰資源開發利用的有利區間，并指出2個蒸發實驗中，鉀鹽礦物的品位都較高，可以從扎布耶鹽湖鹵水中開采鉀鹽產品。

黃維農等［8］進行了扎布耶鹽湖鹵水冬季日曬蒸發實驗，旨在掌握冬季蒸發條件下鹽田鹵水組成變化規律，結論為可在冬季低溫條件下制取高Li+濃度鹵水。衣麗霞等［9］用扎布耶鹽湖鹵水進行了冷凍后常溫蒸發實驗，鹵水在-5、-10、-15、-20℃等多個溫度下冷凍，再置于20℃等溫蒸發，結論為蒸發階段析出的鹽主要為石鹽和鉀石鹽，鹵水冷凍溫度越低其體積濃縮率越小、蒸發率越高。桑世華等［10］進行了扎布耶鹵水冷凍后等溫蒸發實驗，結論：在蒸發過程中，鉀鹽在液相和固相均有富集，硼的富集為提硼創造了良好條件，但碳酸鋰的結晶析出行為較分散。

值得指出的是,中國碳酸鹽型鹽湖鹵水蒸發實驗數據較少,該類型鹵水在蒸發過程中介穩現象嚴重，宜用五元體系Na+、K+∥/Cl-、CO32-、SO42--H2O介穩相圖。碳酸鹽型鹵水在不同的自然條件下析出的礦物不同，但在蒸發過程中析出的礦物主要有石鹽、鉀石鹽、鉀芒硝、碳酸鋰、天然堿、水堿、泡堿、硼砂等。

2 硫酸鹽型鹽湖

中國硫酸鹽型鹽湖在3種鹽湖類型中分布范圍最廣，在藏北北部、柴達木、新疆及內蒙古西北部的鹽湖都屬于這種類型。中國硫酸鹽型鹽湖主要以硫酸鎂亞型鹽湖為主，但在青藏高原、內蒙古等地分布著多個硫酸鈉亞型鹽湖。中國有名的硫酸鹽型鹽湖有東臺吉乃爾、西臺吉乃爾、羅布泊、茶卡、大柴旦、扎倉茶卡、昆特依、吉蘭泰等，其中代表性的鹽湖是西臺吉乃爾鹽湖和羅布泊鹽湖。中國主要硫酸鹽型鹽湖化學組成見表1。

表1 硫酸鹽型鹽湖鹵水主要化學組成%

東臺吉乃爾鹽湖與西臺吉乃爾鹽湖處于同一鹽盆，位于柴達木盆地中部。東臺吉乃爾鹽湖為一固液共存的鹽類礦產資源，其鹵水資源包括湖表鹵水和晶間鹵水，水化學類型為硫酸鹽型硫酸鎂亞型，主要沉積礦物有石鹽、芒硝、白鈉鎂礬等。西臺吉乃爾鹽湖水化學類型也為硫酸鎂亞型，是一個主要由液體鋰礦、鉀鎂硫酸鹽礦組成的固液共存的鹽湖資源。其液體礦床主要由4部分組成：地表鹵水礦層、晶間鹵水礦層、孔隙潛鹵水礦層和晶間承壓鹵水礦層，富含鋰、鉀、硼等資源。西臺吉乃爾鹽湖具有巨大的開采價值，中國從2003年開始進入大規模開采階段。

針對臺吉乃爾鹽湖，科研人員進行了大量的蒸發實驗基礎研究工作。張寶全等［11］進行了東臺吉乃爾鹽湖鹵水25℃等溫蒸發實驗研究，得出其夏季析鹽順序為石鹽、軟鉀鎂礬、瀉利鹽、鉀石鹽、六水瀉鹽、鉀鹽鎂礬、光鹵石、一水硫酸鋰、水氯鎂石，認為鋰鹽在鹵水中以一水硫酸鋰的形式析出，不會以硫酸鋰鉀的形式析出，硼在蒸發過程中濃縮富集，但不以固態硼酸鹽的形式結晶析出。張寶全還進行了冬季鹵水蒸發實驗，認為冬季鹵水蒸發析鹽順序為芒硝、石鹽、鉀石鹽、瀉利鹽、六水瀉鹽、光鹵石。夏季自然蒸發實驗與25℃等溫蒸發實驗結晶路線基本相同，只是首先析出的鹽有所不同。陳敬清等［12］完成了東臺吉乃爾鹽湖晶間鹵水25℃等溫蒸發實驗和自然蒸發實驗，認為在自然蒸發過程中固相析出順序為石鹽、鉀石鹽、瀉利鹽、六水瀉鹽、光鹵石、水氯鎂石，實驗過程中鹵水相對密度階段性降低，發現固相發生反應生成次生鉀鹽鎂礬并放出結晶水；在等溫蒸發實驗中出現礦物MgSO4·H2O。郭愛武等［13］通過西臺吉乃爾鹽湖鹵水進行了自然蒸發試驗研究，發現西臺鹵水析鹽過程為氯化鈉、七水硫酸鎂、六水硫酸鎂、氯化鉀、光鹵石和老鹵，鋰鹽隨鹵水蒸發不以固體形式析出，對蒸發結晶路線影響甚微，鉀混鹽礦可直接在車間熱溶加工生產硫酸鉀鎂肥，亦可直接用反浮選法生產硫酸鉀鎂肥。

羅布泊鹽湖位于塔里木盆地東部，以鉀鹽資源而著名，其鉀鹽成礦區由羅北凹地超大型鉀鹽礦床和外圍幾個中型礦床構成，是一以液相礦為主、固液并存的鉀鹽礦產資源［14］。李浩等［15］對羅布泊鹽湖鹵水進行了等溫蒸發實驗，研究了鹵水蒸發過程離子組成變化規律，發現鹵水等溫蒸發析鹽過程與K+、Na+、Mg2+∥Cl-、SO42--H2O五元體系介穩相圖相符，其礦物析出順序為石鹽、白鈉鎂礬、鉀鹽鎂礬、瀉利鹽、軟鉀鎂礬，鉀鹽析出幾乎伴隨整個鹵水蒸發過程。

扎倉茶卡鹽湖富含硼和鋰鹽，屬于硫酸鈉亞型硼酸鹽鹽湖。李剛等［16］進行了扎倉茶卡鹽湖鹵水25℃等溫蒸發實驗，發現硼在蒸發過程中不斷濃縮富集，但不以硼酸鹽形式析出，認為利用相分離技術，采用夏季日曬蒸發和冬季天然蒸發處理，不僅可以分離芒硝、石鹽和鉀鹽，還可進一步濃縮富集鋰鹽，制取一水硫酸鋰。

其次，李海民、高世揚、王麗娜等進行了茶卡鹽湖、昆特依鹽湖、大柴旦鹽湖、尕斯庫勒鹽湖等鹵水蒸發實驗研究，得到了鹵水蒸發過程中的結晶規律以及相變點液相化學組成、固相析出率、鹵水濃縮率等參數，以指導鹽湖資源生產。卜令忠等［17］還運用Pitzer理論模型，利用計算機模擬方法進行鹵水蒸發模擬研究，計算鹵水蒸發析鹽順序、鹽飽和點的鹵水組成，為實際工藝流程提供參考。

此外，山西運城鹽湖也是中國古老的鹽湖之一。運城鹽湖屬現代沉積、固液并存并以芒硝為主的鹽類礦床，其鹵水類型屬于硫酸鹽型硫酸鈉亞型。運城鹽湖十分有利于生產元明粉和提取成本較低的農用硫酸鎂以及生產高純度的工業硫酸鎂等產品。

中國硫酸鹽型鹽湖眾多，其中硫酸鎂亞型鹵水化學組成與海水相近，硫酸鹽型鹵水在蒸發過程中復雜多變，介穩現象嚴重，相區變化明顯，所以在蒸發過程中宜用金作美等完成的五元體系Na+、K+、Mg2+∥Cl-、SO42--H2O介穩相圖，但在蒸發后期當鋰鹽高度濃縮時宜用Li+、Mg2+∥Cl-、SO42--H2O介穩相圖。蒸發過程中析出礦物主要為石鹽、鉀石鹽、瀉利鹽、白鈉鎂礬、無水芒硝、軟鉀鎂礬、鉀鎂礬、鉀鹽鎂礬、芒硝、硫酸鉀、鹵石、硫酸鋰、鉀芒硝等。

3 氯化物型鹽湖

就鹽湖分布而言，氯化物類型鹽湖分布范圍最小，大致從羅布泊向南東延伸到柴達木盆地的昆特依鹽湖至察爾汗鹽湖。中國有名的氯化物型鹽湖有察爾汗鹽湖、別勒灘鹽湖、雅布賴鹽湖、額吉諾爾鹽湖等，最具代表性為察爾汗鹽湖。察爾汗鹽湖鹵水化學組成（質量分數）：Na，5.903%；K，1.000%；Li，0.001 3%；Mg，2.372%；Ca，0.084%；Cl-，16.640%；SO42-，0.531%。別勒灘鹽湖鹵水化學組成（質量分數）：Na，1.882%；K，1.869%；Li，0.010%；Mg，5.172%；Ca，0.035%；Cl-，19.390%；SO42-，0.540%。察爾汗鹽湖位于柴達木盆地中東部，是中國最大的鹽湖。察爾汗鹽湖礦床固液資源并存，是一以鉀、鈉資源為主，并伴生有硼、鋰、鎂、溴等元素的綜合型礦產。察爾汗鹽湖已有三千多年的鹽類開采歷史，是現今中國開采規模最大的鹽湖。其中鉀鹽的開發始于20世紀50年代，最初采用溝槽鹽田土法生產鉀鹽，后來用鹽田相分離技術，并不斷優化鉀鹽加工工藝，逐步采用先進工藝，如熱溶法、冷分解浮選法、反浮選冷結晶法等。

張穎慧［18］進行了察爾汗鹽湖晶間鹵水等溫蒸發試驗，研究了25℃和30℃鹵水蒸發結晶路線，認為鉀離子濃度在剛有光鹵石析出時達到最大，當降至一定濃度時開始析出水氯鎂石，提出在實際生產中可以用測定鉀離子濃度和pH的方法來控制光鹵石的生產過程。并發現鹵水蒸發過程中不經過鉀石鹽結晶區，而是由氯化鈉結晶區直接進入光鹵石結晶區，認為察爾汗鹽湖只能通過光鹵石生產氯化鉀。

張兆廣等［19］對察爾汗鹽湖低品位鹵水進行了自然蒸發試驗研究，發現鹵水結晶析鹽順序為石鹽、光鹵石、水氯鎂石，并通過計算得到光鹵石礦物最佳分離點和光鹵石產率，認為當鹵水中KCl質量分數降至0.5%時用來生產KCl仍具有較好的經濟效益。

氯化物型鹽湖處于鹽湖演化第三階段，相化學趨于穩定，鹵水介穩現象不明顯，蒸發析鹽規律分析宜用Na+、K+、Mg2+∥Cl--H2O四元相圖，鹵水蒸發過程析出礦物主要是石鹽、鉀石鹽、光鹵石、水氯鎂石等。

4 結語

針對3種類型鹽湖鹵水，科研人員進行了大量蒸發實驗研究，奠定了鹽湖資源開發利用的基礎。以此為支撐，中國有多個鹽湖逐步走上資源開發利用之路，應該看到鹽湖鹵水蒸發實驗研究是鹽湖資源綜合利用的基礎。但是，中國鹽湖開發技術與國外相比還存在一定差距，中國鹽湖氣象、水文、工程地質及礦產資源儲量資料短缺，現階段普遍以粗獷的單一產品加工為主，資源浪費和環境污染嚴重，鹽湖資源綜合利用程度低，產業鏈短，經濟效益較低，新技術的研發力度不夠。因此，科研人員應加強鹽湖資源基礎研究和綜合利用技術的研究，結合鹽湖當地的自然條件，因地制宜，不斷創新，逐步提高中國鹽湖資源開發利用的水平。

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Experimental research progress in evaporation of salt lake brine

Jiang Xu1，2，Zhou Baohua1，Nie Zhen2
（1.University of Jinan，Jinan 250022，China；2.Institute of Mineral Resources，Chinese Academy of Geological Sciences）

There are numerous salt lakes that rich in mineral resources in China.Different techniques have been chosen for utilizing these mineral rich salt lakes on the basis of their locations and local climates.These salt lakes are primarily classified into three types based on their hydrochemistry characteristics，i.e.carbonate-type，sulfate-type，and chloride-type.The brine from each type of salt lakes has its unique phase diagram，and thus unique mineral assemblages.Much work has been done on the brine evaporation experiments for every type of salt lakes in China，and a lot of progress has been achieved.The previous studies on the evaporation of brines from all three types of salt lakes were summarized，and their evaporation law and subsequent mineral characteristics were analyzed，so as to provide reference for those who engaged in the brine evaporation experiments.

salt lake；brine；evaporation experiment；hydrochemistry types；salt mineral

TQ028

A

1006-4990（2013）06-0001-03

2013-01-19

姜旭（1987—），男，碩士研究生。

乜貞，周保華

國土資源部公益性行業科研專項經費項目（201011001）；中國地質科學院礦產資源研究所基金項目（K1016）。

聯系方式：nieezhen518@163.com