察爾汗鹽湖蒸發(fā)成礦及相關(guān)數(shù)學模型的研究進展

韓玉蘭，劉鯉君，趙云*(.青海大學，青海 西寧 8006；.青海省測試計算中心，青海 西寧 80008)

0 引言

鹽田蒸發(fā)涉及眾多領(lǐng)域，是一個相對復雜的工藝體系。它是由察爾汗鹽湖鹽田鹵水體系、氣象因素、地理區(qū)域等共同作用，這些因素在不同程度上影響鹽田蒸發(fā)量、析鹽量及礦物結(jié)晶行為。綜合探究眾多因素與鹽田蒸發(fā)成礦間的相關(guān)性是目前研究的關(guān)鍵。

了解成礦機理、經(jīng)驗工藝、現(xiàn)有數(shù)學模型，有助于后期蒸發(fā)工藝進展，相關(guān)知識的增長。如圖1所示，理論基礎(chǔ)建構(gòu)為蒸發(fā)成礦的整個過程提供觀察視角、理論參數(shù)，設(shè)計鹽田工藝。通過實驗發(fā)現(xiàn)規(guī)律，探究各個影響鹽田蒸發(fā)因素間的相關(guān)性，與蒸發(fā)特征的相關(guān)性。實踐可知，鹽田工藝的好壞直接影響或決定著光鹵石礦的質(zhì)量。需建立數(shù)學模型，通過數(shù)值模擬對鹽田工藝不斷調(diào)優(yōu)，建立相對完善的鹽田工藝體系。

圖1 鹽田體系的形成

1 影響蒸發(fā)結(jié)晶的因素

察爾汗鹽湖鹵水大體上是一個K+、Na+、Mg2+//Cl-—H2O的四元水鹽體系，含有少量和其他微量元素。鹽湖氣候干燥、日照強、蒸發(fā)量大、湖面風期長，優(yōu)越的地理環(huán)境和氣象條件使鹵水蒸發(fā)結(jié)晶。堅持“以鉀為主、綜合利用、循環(huán)經(jīng)濟、持續(xù)發(fā)展”的理念[1]，應(yīng)綜合考慮鹵水體系、氣象及其他因素與蒸發(fā)結(jié)晶的相關(guān)性。

1.1 鹵水體系對蒸發(fā)結(jié)晶的影響

1.1.1 鹵水組分

鹵水組分間相互影響，一定程度上決定相平衡時的化學組成。鹵水蒸發(fā)濃縮時，鹵水中不同鹽分的數(shù)目與數(shù)量比決定鹽礦的性質(zhì)特征。由于不同鹽分中氯離子的存在，產(chǎn)生“同離子效應(yīng)”，使鹽礦的溶解度降低。隨著蒸發(fā)過程的進行，鹵水組分發(fā)生變化，由此分階段析出不同品質(zhì)鹽礦，會有液相-固相-液相的幾個階段的固液相轉(zhuǎn)換[2-3]。

1.1.2 鹵水濃度

特定時期，近乎恒定氣象條件下，影響蒸發(fā)的主要因素之一屬鹵水濃度。鹵水自然蒸發(fā)時，濃度逐漸增大，限制蒸發(fā)速度。從微觀角度分析，鹵水中組分濃度增大，導致鹵水黏度增大，內(nèi)聚力增強，因此阻礙相變的發(fā)生。

1.2 氣象條件對蒸發(fā)結(jié)晶的影響

1.2.1 太陽能輻射

太陽能輻射影響鹽湖氣溫、鹵溫、鹵水蒸發(fā)速率及鹽礦析出率。太陽能使水體升溫，輻射熱量轉(zhuǎn)化為鹵水蒸發(fā)潛熱。水體飽和蒸氣壓增大，一部分潛熱轉(zhuǎn)化為動能，使水分由液相變?yōu)闅庀嗾舫觯_到蒸發(fā)目的[4]。隨之降低鹽類礦物的溶解度，不斷有鹽粒析出。

1.2.2 風力

風力強度主要影響鹽湖水面之上大氣的相對濕度。通過不斷排除水汽，使空氣中的水汽分壓降低，具有推動相變速率的作用。

1.3 其他對蒸發(fā)結(jié)晶的影響

除上述影響因素，還存在一些間接因素。如適宜鹽田單池面積及深度，能接受到更多的太陽能輻射，水體熱容量大。結(jié)合風力，水面產(chǎn)生波浪，擴增蒸發(fā)面積，綜合提高鹽田蒸發(fā)能力[5]。

如采收作業(yè)方式有旱采和水采，旱采是對成礦鹵水進行一次性灌鹵到排鹵，水采是針對濃度差不大的原鹵水進行穩(wěn)定，連續(xù)進鹵，使?jié)舛戎鸫卧龃骩6]。采收方式對晶體生長環(huán)境和成礦周期有較大的影響。再如鹽田鹵水走水方式有串聯(lián)和并聯(lián)之分，利用鹵水水位差使鹵水流動蒸發(fā)。實現(xiàn)蒸發(fā)與結(jié)晶同時進行，有效增加蒸發(fā)量，促進晶核生長[7,8]。

2 鹽田蒸發(fā)及相關(guān)數(shù)學模型的研究

蒸發(fā)工藝對察爾汗鹽湖產(chǎn)業(yè)及其環(huán)境保護、綠色開發(fā)和資源合理充分利用有著極其重要的意義。目前察爾汗鹽湖蒸發(fā)實驗大部分依據(jù)自然蒸發(fā)與等溫蒸發(fā)條件下的研究。通過相圖理論分析鹵水析鹽規(guī)律，大致將蒸發(fā)結(jié)晶過程依次分為原鹵濃縮、氯化鈉析出、鉀石鹽析出、光鹵石析出和老鹵曬制五個階段[9]。嚴格控制鹽田鹵水的導排過程是鹽田蒸發(fā)的關(guān)鍵。期間進行多次固液分離，計算測定并控制鹵水的密度、組分、蒸發(fā)量和析鹽率，把握光鹵石的最佳分離點得到品質(zhì)好的光鹵石礦[10-11]。至今，察爾汗鹽田工藝計算仍就依據(jù)典型經(jīng)驗證據(jù)，通過蒸發(fā)實驗與實踐生產(chǎn)建立相關(guān)數(shù)學模型。

2.1 鹽田蒸發(fā)實驗的研究

鹽田灘曬法是察爾汗鹽湖的最主要的鹽田蒸發(fā)工藝。概而論之，察爾汗鹽田生產(chǎn)過程如圖2所示，原鹵水經(jīng)過日曬蒸發(fā)濃縮，NaCl飽和析出于鈉鹽池，將析出的鈉鹽進行第一次固液分離。在調(diào)節(jié)池中進行第二次固液分離，灘曬蒸發(fā)提高KCl含量。調(diào)節(jié)池是鹽田鹵水蒸發(fā)濃縮到光鹵石飽和析出的過渡階段，起著向光鹵石池中補充鹵水、穩(wěn)定鹵水質(zhì)量、調(diào)整鹵水濃度和組分的作用。緊接著將接近光鹵石飽和點的鹵水導入光鹵石池繼續(xù)蒸發(fā)，在光鹵石池中將光鹵石全部析出，及時將老鹵排走，阻止水氯鎂石析出。直接灘曬法的優(yōu)點是利用優(yōu)越的日曬條件，工藝成本低廉。不足即直接灘曬過程可能有大量鉀石鹽析出，鹵水中KCl含量削減，固液分離時發(fā)現(xiàn)由于母液夾帶，鉀在這一蒸發(fā)工序中流失嚴重。再者直接灘曬法蒸發(fā)時間較長，蒸發(fā)效率低，一般完成一個完整的蒸發(fā)鹵水過程需要1～2年時間。

圖2 鹽田蒸發(fā)流程

兌鹵法是在原鹵或尾鹽水中，提前加入一定比例老鹵水以提高資源利用效益的手段。兌鹵法有效解決了直接灘曬時鉀石鹽析出階段鉀嚴重損失的問題。解決了尾液排放問題，使排出的老鹵循環(huán)利用[12]。改變原鹵和成礦鹵水中鹽類組分與不同鹽分的數(shù)目之比，有效提高鹽田蒸發(fā)速率與光鹵石礦的產(chǎn)量。

張兆廣[13]針對察爾汗鹽湖低品位鹵水進行自然蒸發(fā)實驗，以蒸發(fā)兩組原鹵水中氯化鉀含量不同的實驗做對比。定時檢測鹵水密度，析鹽種類來確定固液分離點，探究結(jié)晶路線。表明不同KCl含量的鹵水樣品的石鹽析出階段長短不一，含量低的石鹽析出段較長，母液夾帶的鉀、鎂的量高。試驗樣品的水化學類型及高鈉組分特征決定了鹵水較長的石鹽階段，低鉀組分特征反映了光鹵石為鹵水后期的鹽礦，說明光鹵石結(jié)晶析出階段較短。掌握最佳分離點十分重要，他提出針對低鉀高鈉類型的鹵水應(yīng)用蒸發(fā)—兌鹵工藝，在鈉鹽池中導入尾液，使更多的鈉離子結(jié)晶析出，縮短鉀石鹽析出階段，鈉鹽池面積無需擴大，有效降低生產(chǎn)成本。實驗不足之處是固液分離時兩組樣品的蒸發(fā)面積及取樣時間不一致。該實驗應(yīng)考慮到鹵水蒸發(fā)特征在冬夏季有很大的差別，且鹽田單池面積對蒸發(fā)量的影響不容忽視。

王永梅等[14]通過25 ℃等溫及多溫相圖，探究結(jié)晶路線，分析計算鹽田工藝各項指標。將一年的節(jié)氣溫度劃分為兩個溫區(qū)：-5～15 ℃和15～30 ℃。指出在不同溫區(qū)鹵水結(jié)晶路線發(fā)生變化，較低溫區(qū)比較高溫區(qū)多一步鉀石鹽析出階段。一定鹵水濃度下，升溫時，蒸發(fā)效率呈上升趨勢，鈉鹽提前大量析出，鉀石鹽析出階段變短直至消失。較低溫區(qū)，采納兌鹵工藝，解決鉀石鹽析出階段較長問題，使鉀盡量以光鹵石礦的形式析出。等溫相圖分析研究，恰好消除因溫度變化引起的結(jié)晶路線的變化。

陳祥針[15]對開采過后的鹵水組分進行分析，探討變化后的鹵水組分對鹽田生產(chǎn)的影響。表明氯化鈣是鹵水高度蒸發(fā)濃縮后的產(chǎn)物，相同溫度下氯化鈣溶解度遠高于其他鹽分，同離子效應(yīng)促使氯化鉀、氯化鈉趨向飽和，結(jié)晶析出，成礦光鹵石中氯化鈉含量低。同樣，李海朝等[16]探究了氯化鎂對鹵水蒸發(fā)效率的影響。表明降低鹵水中鎂離子的含量，可縮短鹵水成礦周期。于-18～35 ℃溫區(qū)內(nèi)，升溫使氯化鎂溶解度變大，雖鹵水蒸發(fā)量增大，但隨之鹵水濃度升高，不利于鹵水成礦。

迄今，察爾汗鹽湖企業(yè)在鹽田生產(chǎn)中針對不同的鹵區(qū)采納不同的蒸發(fā)工藝。從開采形式、走水方式再到曬鹵都有所研究且采取了相應(yīng)的措施。無論是理論分析，還是生產(chǎn)實踐，從綜合資源及經(jīng)濟效益出發(fā)，表明大部分原鹵水鹽田適用采鹽船水采串聯(lián)走水，分段蒸發(fā)；成礦鹵水旱采一次性灌鹵成礦。

2.2 鹽田蒸發(fā)模型的研究

水鹽體系相圖分析在察爾汗鹽田蒸發(fā)模型建立研究歷程中起主導作用。蒸發(fā)過程和相圖分析相結(jié)合，理論固相量、液相量、系統(tǒng)總量可通過測量水鹽相圖中固相和液相對應(yīng)線段長度計算得到，找出理論最佳工藝控制點。結(jié)合鹵水組分動態(tài)變化，大致控制生產(chǎn)過程中鹽田鹵水的導輸鹵時間，預測計算導輸鹵量和析鹽量。

建立鹽田蒸發(fā)模型的主要作用是為了調(diào)整、優(yōu)化、研究更為精準的鹽田工藝。實時診斷、測量鹵水動態(tài)變化。建立精度高、適用性強的蒸發(fā)數(shù)學模型成為當前研究的必然趨勢。表1中的各項蒸發(fā)模型是迄今察爾汗鹽湖在工藝計算中常用的計算公式[17]。

表1 察爾汗鹽湖常用的蒸發(fā)數(shù)學模型

田紅斌[18]結(jié)合相圖指導理論與實踐生產(chǎn)累積數(shù)據(jù)，利用數(shù)理統(tǒng)計，回歸分析有及無鉀石鹽析出類鹵水及固相分離點，分別建立不同階段礦鹽的析出率僅與溫度相關(guān)的分離模型。對于早期蒸發(fā)模型建立的研究有著較大的影響力，有力推進了相關(guān)研究。

張軍[19-20]對石鹽析出階段、光鹵石析出階段和氯化鎂飽和階段建立鹵水相對比蒸發(fā)系數(shù)與鹵水密度及大氣相對濕度的變化的二元回歸方程：

(1)石鹽析出與光鹵石階段，在1.240～1.335 g/cm3密度范圍內(nèi)：F=0.76*(571.905-0.525 657R-393.477D)[19]

(2)氯化鎂飽和階段，在1.335～1.370 g/cm3密度范圍內(nèi)：F=3.679 74*10-12*R-0.382558*[exp(39.8577/D)][20]

R為大氣相對濕度；D為鹵水密度。

研究闡明為消除鹽田面積引發(fā)的蒸發(fā)速率的影響，應(yīng)用于實際生產(chǎn)，引入了大面積校正系數(shù)。鹵水密度和相對濕度與鹵水蒸發(fā)速率呈負相關(guān)。大氣相對濕度對蒸發(fā)的影響大過鹵水密度。

太陽能輻射為察爾汗鹽湖主要能量來源及影響因素，成春春等[21]研究者依據(jù)察爾汗鹽湖累積數(shù)據(jù)及理論知識，建立太陽能輻射量與鹽田各蒸發(fā)過程的蒸發(fā)水量和成礦量模型。模型指數(shù)R2值均大于0.99，對鹽田蒸發(fā)有較強的指導意義。

3 結(jié)語

察爾汗鹽湖工藝是一個復雜體系，其研究發(fā)展必然是一個高投入，長期試驗的過程。重視人才培育，資金投入，研發(fā)新型技術(shù)，有力推動鹽湖蒸發(fā)工藝的發(fā)展。注重因地制宜，因時制宜，綜合考慮鹵水體系、氣象因素、鹽田形式、地理區(qū)域?qū)φ舭l(fā)結(jié)晶過程的影響，綠色開發(fā)，循環(huán)利用以及最佳的經(jīng)濟效益。目前察爾汗鹽湖鹽田蒸發(fā)結(jié)晶的研究主要從三方面入手：

(1)夯實相關(guān)理論基礎(chǔ)方面的研究，透徹分析鹽田鹵水蒸發(fā)結(jié)晶的內(nèi)在性質(zhì)與外在表征；

(2)設(shè)計合理的鹽田工藝，力求蒸發(fā)量、成礦量、資源利用率最大化；

(3)結(jié)合相圖分析及實際生產(chǎn)累積數(shù)據(jù)，建立與蒸發(fā)結(jié)晶相關(guān)的數(shù)學模型，不斷擴充數(shù)值模擬數(shù)據(jù)庫，逐步完善，形成一個全面的體系。