鹽湖資源化學，研究鹽湖資源的形成、提取、開發和綜合利用中基本化學問題的學科。
基本介紹
- 中文名：鹽湖資源化學
- 用途：研究鹽湖資源的形成、提取、開發和綜合利用中基本化學問題
鹽湖是重要的無機鹽資源，主要鹽湖沉積有石鹽(NaCl)、鉀石鹽(KCl)、水氯鎂石(MgCl2·6H2O)、光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)、芒硝(Na2SO4·10H2O)、白鈉鎂礬(Na2SO4·MgSO4·4H2O)、軟鉀鎂礬(K2SO4·MgSO4·6H2O)、瀉鹽(MgSO4·7H2O)、泡鹼(Na2CO3·10H2O)、水鹼(Na2CO3·H2O)、小蘇打(NaHCO3)、天然鹼(NaNO3·NaHCO3·H2O)、鉀硝石(KNO3)、鈉硝石(NaNO3)、硼砂(Na2B4O7·10H2O)以及多種硼酸鹽礦物。另外，鹽湖中還存在可觀量的稀貴金屬和非金屬資源。人類從天然鹽湖提取必需鹽類的歷史相當久遠。中國早在5 000年以前就開始人工引鹵（滷水）日曬製鹽，創造了東方製鹽工藝。在2 200年前的漢朝，中國山西運城鹽池已有相當的生產規模。鹽湖資源的開發和利用在20世紀得到了長足的發展，其重要標誌是由單一或少數鹽類提取發展到綜合利用，在方法上除了最基本的太陽池相分離技術外，還對富集有稀散成鹽元素(多半是具有高附加值的稀貴元素，例如對含鋰、銣、銫、硼等)的老鹵採用其他的分離技術，諸如溶劑萃取、離子交換、電滲析和膜分離等來提取稀散元素鹽類。研究內容和方法 主要研究湖水中含鹽量在50克/升以上並已在湖底形成鹽沉積的湖泊。內容可以劃分為兩個方面：①直接服務於鹽湖水製鹽工業的工藝化學，包括太陽池工藝基礎的多元水鹽體系平衡態和介穩態相化學、相轉變和溶度圖、稀散元素的分離技術；②圍繞鹽湖成因和工藝化學，建立鹽湖成鹽元素化學和濃溶液化學，作為鹽湖工藝化學的理論依託和詮釋鹽湖成因與形成的理論支撐。鹽湖的類型 按鹽滷的主要化學組成，可將鹽湖分成氯化物型、硫酸鹽型、碳酸鹽型、硼酸鹽型和硝酸鹽型五大類型。針對各類型鹽湖開展多元水鹽體系研究，為太陽池工藝提供理論依據。硫酸鹽類型鹽湖的基本組成體系是Na+,K+,Mg2+∥Cl－,SO42－－H2O。從1898年J.H.范托夫開始，先後有J.D.安斯、I.N.庫爾納柯夫及其學派以及金作美等完成了該體系平衡和介穩態溶度圖(又稱“太陽相圖”)。各種鹽類在水中有不同的溶解度，它們之間既可以相互作用影響溶解度，也能彼此結合形成復鹽，而這些相互作用還受到外界條件，尤其是溫度的影響。可以利用它們這些性質，控制濃縮鹽滷或者鹽湖沉積物的水溶液，分步結晶出各種鹽。這樣的過程，一般是採用最為經濟的太陽能源建造太陽池(鹽田)，通過氣候變化、日曬蒸發和冷凍控制析鹽實現的。這是鹽湖開發的最基本工藝。表示鹽在水中的溶解度與溫度關係的圖形稱為溶解度圖或水鹽體系相圖，它代表平衡體系中與固體鹽成平衡的飽和溶液的組成關係。這種平衡也可以是亞穩定的，或稱介穩的，如下圖是硫酸鹽類型鹽湖體系Na+,K+,Mg2+∥Cl－,SO42－－H2O在25℃的介穩平衡相圖。圖中m、n點代表滷水組成，相應箭頭走向表示日曬蒸發水時析出的鹽及其順序。水鹽體系相圖，尤其是介穩相圖是太陽池工藝提取鹽湖鹽類的化學基礎。在山西運城鹽湖（又稱解池），利用太陽池夏季蒸發析出NaCl,冬季冷凍析出芒硝NaSO4·10H2O；美國大鹽湖採用鹽田工藝結晶析出鉀鹽鎂礬KCl·MgSO4·3H2O，經轉化為軟鉀鎂礬2MgSO4·K2SO4·4H2O，生產硫酸鉀，同時生產無水硫酸鈉。氯化物類型鹽湖的組成可概括為Na+,K+,Mg2+∥Cl－－H2O。20世紀30年代，庫爾納柯夫及其學派完成了該體系的等溫溶度圖，其中有光鹵石(KCl·MgCl2·6H2O)結晶區。以色列和約旦利用中東死海滷水，中國青海鉀肥廠利用察爾汗鹽湖滷水，造池日曬析出光鹵石，加水分解浮選氯化鉀，察爾汗鹽田同時副產出大量的水氯鎂石。碳酸鹽類型鹽湖組成可視為Na+,K+∥Cl－,SO42－,CO32－,HCO3－－H2O體系，中國的內蒙古有許多鹼湖，早就利用太陽能蒸發生產純鹼。硝酸鹽類型鹽湖的主要組成是Na+,K+∥Cl－,SO42－,NO3－－H2O。智利北方硝石區鹽湖和中國新疆的吐魯番盆地存在有硝石和硝礬，在溶度圖指導下，採用溶解結晶法生產硝酸鉀。硼酸鹽鹽湖又分為碳酸鹽硼酸鹽鹽湖Na+,K+∥Cl－,SO42－,CO32－,HCO3－,B4O72－－H2O和硫酸鹽硼酸鹽鹽湖Na+,K+,Mg2+∥Cl－,SO42－,B4O72－－H2O。前者以美國的西爾斯鹽湖和中國西藏的扎布耶鹽湖為代表，由於其鹽湖區沉積中有大量的硼砂，又稱為硼砂湖；後者以中國青海大、小柴旦鹽湖和西藏扎倫茶卡鹽湖為代表。中國柳大綱、高世揚等在這些鹽湖發現了許多種硼酸鹽礦物，開展了含鋰硼水鹽體系的相關係和相轉變研究。成鹽元素化學 既可以為鹽湖成因提供化學詮釋，又可以豐富基礎化學。中國存在有特色的硼酸鹽鹽湖，高世揚等人長期開展鹽滷硼酸鹽化學研究，先後考察硼酸鹽溶液和析鹽動力學關係，提出了含硼濃縮滷水是以MgB2O7的“統計形式”存在的天然鹽滷水硼分析結果表示方法，還模擬合成天然含硼濃縮滷水析出硼酸鹽的結晶動力學和硼酸鹽礦物的水中溶解和轉化動力學，解決了多種鎂硼酸鹽水合鹽的形成條件、組成和合成方法。採用核磁共振等現代譜學技術研究了硼氧酸鹽水溶液的振動光譜，揭示了硼酸鹽溶液微觀組成。濃溶液化學理論 鹽類水溶液物理化學的重要基礎。鹽類稀溶液最為成功和廣泛套用的是德拜–休克爾離子互吸理論，但是只適用低濃度範圍的鹽溶液。20世紀70年代美國K.S.皮策提出了皮策–德拜–休克爾離子作用模型，稱為濃鹽溶液皮策理論。其中電解質平均活度係數表達式中引入了離子相互作用參數，已通過實驗溶度數據獲得240餘種電解質(158種無機物和82種有機物)的皮策參數，可方便地用於計算混合體系中電解質的活度係數，套用於預測水鹽體系的溶解度，大大加快了多元體系溶度圖的製作。中國宋彭生等人套用皮策理論預測了許多水鹽體系的平衡溶度、介穩溶度、等水線、等溫蒸發過程相化學計算和鹽類相分離相圖，針對中國鹽湖資源特點，增補了LiCl和Li2SO4的作用參數，預測了多個含鋰體系的平衡溶解度，其中離子強度高達20摩/千克溶液。鹽湖成鹽元素分離 尤其是稀散元素的分離，往往需要藉助太陽池相分離方法以外的其他無機分離技術，如化學沉澱、溶劑萃取、離子交換和膜分離技術等。中國發展了鋁酸鹽法提鋰工藝、鹽酸鹽析法和溶劑萃取法提鋰工藝，以及萃取法生產碳酸鋰工藝、膜分離提鋰工藝。重要性 鹽湖資源可以為人類社會提供巨大量的無機鹽產品。其中，食鹽既是生活中的調味品，也是生理必需的電解質，同時還是重要的化工原料。農作物生長的三大要素肥料之一——鉀肥，來自鹽湖。中國青海察爾汗鹽湖每年可生產百萬噸鉀鹽。世界上每年由鹽湖提供數萬噸鋰鹽，轉化為其他鋰材料，對國防和高科技許多領域提供了物質基礎。此外，鎂鹽、鈉鹽、硼和溴產品帶動了系列化工、建材和冶金業，還套用在輕金屬、紡織、製藥、玻璃、陶瓷、電子等輕工業，為社會發展帶來了巨大的經濟效益。中國西部地區蘊藏有豐富的鹽湖資源，其中一些稀貴成鹽元素鋰、銣、銫、硼、溴、碘等儲量較大，它們對新能源、新材料和航天航空及國防工業具有重要作用。發展方向 鹽湖資源化學的發展要緊緊圍繞鹽湖資源的綜合性和可持續性的開發利用，實施鹽湖資源綠色開發。首先要針對資源的多組分體系的相化學研究，注重平衡態和非平衡態相關係和相轉變研究，關注計算相圖、相圖計算以及多元體系相圖預測，積極發展具有中國特色的成鹽元素化學和鹽湖稀散元素分離化學。
