氯化锂-氯化钠-水三元体系多温相平衡研究

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高品质的氯化锂在市场上供不应求,而我国盐湖锂资源丰富,因此,发展从盐湖卤水直接制取高纯的氯化锂势在必行。工业生产高品质氯化锂关键在除去杂质,其中最难的是钠离子的去除。调研得知,三元水盐体系Li+,Na+//Cl--H2O在高温区域缺乏溶解度数据和物性数据,同时关于该体系中杂质氯化钠如何影响氯化锂结晶过程的动力学研究尚未见报道。因此,本文选取该体系作为研究体系,旨在为工业脱除氯化钠杂质提供基础数据支撑和理论指导,深入揭示杂质氯化钠影响氯化锂成核过程的机理。一方面,本文针对Li+,Na+//Cl--H2O体系开展热力学相图研究。选取348.15K、358.15 K和363.15 K三个温度,使用等温溶解平衡法测定了饱和溶解度数据及相应的液相密度,并绘制成相图。三个温度下的相图均未发现复合盐,均由一个共饱点、两条溶解度曲线和两个结晶区组成,分别对应氯化钠和一水氯化锂。结合文献中其他温度的相图可知,该体系在中高温度段氯化钠的结晶区较大,且随着温度的升高略微增大,相比之下,(水合)氯化锂的结晶区始终很小,几乎不随温度变化。基于相平衡数据,通过蒸发含有氯化钠的氯化锂溶液,可以使氯化钠析出以获得纯度更高的氯化锂溶液。同时,使用修正的BET模型预测了该体系的相图,与实测相图一致性较高。将实测密度与文献数据比较验证了实验密度数据的准确性。最后,使用基于Pitzer理论的经验公式计算了表观摩尔体积,充实了该体系的表观摩尔体积数据。另一方面,本文考察了348.15 K下,氯化钠含量对氯化锂冷却结晶过程成核介稳区的影响规律。研究发现,当饱和溶液中氯化钠的质量浓度为0.05%时,氯化锂的介稳区宽度增大最为明显,而随着氯化钠浓度的增加,介稳区宽度逐渐减小。当氯化钠含量为0.30%时,氯化锂的介稳区宽度与不含氯化钠时相当,氯化钠的影响几乎消失。在氯化钠含量为0.05%时,对成核的抑制作用最大,随后随着氯化钠浓度的增加,抑制作用逐渐减小。原因可能是:钠、锂离子水合能和水合离子半径不同,钠离子一旦进入溶液,打破了原来锂离子-水分子之间的相互作用力,极大地阻碍了离子的迁移和附着,从而导致氯化锂的介稳区宽度增大明显,而随着钠离子的增多,溶液中物种之间的相互作用逐渐达到某种平衡,此种阻碍作用逐渐减小。经选取不同介稳区模型对介稳区进行量化描述可知,Sangwal理论中,氯化钠的增加使氯化锂与饱和溶液之间的固液界面能普遍减小(12%~18%),而与动力学相关的指前因子则显著下降,最高下降了80.63%。MSZW宽度变窄主要取决于氯化钠存在时固液界面能的减小。本文的研究结果在一定程度上能够解释氯化钠杂质对于氯化锂成核过程的影响,相比之下,Nyvlt模型等被证明不太适合本体系的应用。本研究为工业上高品质氯化锂的生产提供了基础数据支撑和理论指导。
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