察尔汗盐湖铷钾伴生资源综合利用过程中的相平衡问题研究

Rubidium and its compounds are widely used in biomedical research, electronics, specialty glass, and pyrotechnics for their excellent optical and electrical properties, and have become a hot point in the research field of new energy materials. Recent research indicated that there are abundant rubidium resources in the salt lakes of western China. This resource is difficult to be efficiently extracted and separated in comprehensive utilization because of its low concentration. A very practical solution for the separation of rubidium and potassium from Qarhan Salt Lakes of Qaidam Basin is introduced according to the multitemperature phase diagram NaCl + KCl + RbCl + MgCl2 + H2O quinary system to reduce the potassium-to-rubidium ration gradually during the process of production from low-sodium carnallite with cold crystallization method, and then rubidium chloride will be enriched. The study will embark on the phase equilibrium and thermodynamic properties of binary and ternary systems. The thermodynamic model of solid solution, constructed by the identification of the solid solution using X-ray diffraction, Single crystal X-ray diffraction and First-principles calculations method, will be integrated with parameterization Pitzer model and the standard state thermodynamic properties of pure salts to get a thermodynamic model for NaCl + KCl + RbCl + MgCl2 + H2O quinary system. The simulation results can be used to quantitatively describe the distribution characteristics of rubidium during the processes of salt field evaporation and potash production. Rubidium resources will be enriched to the greatest extent, and the best opportunity for extraction will be grasped. The implementation of the project is undoubtedly helpful to construct temperature dependent thermodynamic model of multicomponent system including solid solution phases, and to improve the comprehensive utilization of associated rubidium resources in salt lakes.

铷及其化合物具有优异的光电性能，是重要的先进能源材料。察尔汗盐湖蕴藏丰富的铷资源，铷的高效分离是盐湖资源综合利用和高值化的重要环节。本项目针对氯化铷和氯化钾难以分离的问题，提出以含固溶体的NaCl + KCl + RbCl + MgCl2 + H2O五元体系多温相图为理论依据，借助已有的盐田工艺和光卤石制钾过程，多级逐步降低钾铷比以富集氯化铷的新方法。项目从二元和三元体系的相平衡和热力学性质研究入手，通过XRD、单晶衍射和第一性原理计算分析固溶体相组成并获得固溶体热力学模型，结合Pitzer模型以及纯盐标准态热容，建立描述该体系多温相平衡性质的热力学模型，借助模型预测和实验室模拟定量化描述铷在分步结晶过程中的存在形式和分配规律，确定其可能的最大富集程度和回收率，指导高钾铷比卤水中氯化铷的实际分离。项目对含固溶体的多组分多温热力学模型的构建及铷钾伴生资源的综合利用具有重要的理论和实际意义。

铷及其化合物具有优异的光电性能，是重要的先进能源材料。察尔汗盐湖是重要的铷钾伴生资源，铷的分离提取是盐湖资源综合利用和高值化的重要环节。如何在不影响现行KCl生产的前提下实现铷资源的有效回收是柴达木盆地资源综合利用的难题之一。为了弄清察尔汗盐湖百万吨KCl生产线上Rb的分布特征和富集规律，指明铷的提取节点，本项目对五元体系NaCl + KCl + RbCl + MgCl2 + H2O的多温相图进行了研究。从二元和三元体系的相平衡和热力学性质入手，结合XRD、SEM-EDS微区分析技术、传统湿固相法和体系点法测定了含固溶体体系的固液平衡性质，获得了可靠的液相及其平衡固相的组成信息，借助热力学耦合和原子模拟方法确定了固溶体相的混合热力学性质，在项目组前期开发的NaCl+KCl+MgCl2+H2O四元体系多温热力学模型基础上，建立了上述五元体系的多温热力学模型。.借助自行开发的计算机程序，对KCl生产过程进行了模拟，其结果与本课题组之前长期取样监测和本项目现场取样结果具有很好的一致性，同时从理论角度理解了实际取样中发现的光卤石时而富铷和时而不含铷的奇异现象。模拟和现场取样分析均表明：卤水盐田摊晒阶段，铷在光卤石析出前期几乎全部进入光卤石，形成含有微量铷和大量钾的光卤石固溶体；车间加工阶段，铷在光卤石分解母液中富集并达到最高的Rb/K比，进入分解母液的铷约占进入车间总铷的一半，另一半则进入氯化钾产品。因此，光卤石分解母液是提取铷的最佳节点。但为了提高钾的回收率，分解母液在现行百万吨KCl生产过程中循环使用，导致其中的铷最终全部进入KCl产品，并随着钾肥的销售离开柴达木盆地。可以说，在现有生产条件下，无法实现铷的不开发式就地保护，钾的开发殆尽必将导致察尔汗铷资源的枯竭。我们认为，最可行的铷资源保护方式就是将其作为提钾副产品在现有KCl生产过程中分离提取。察尔汗铷钾伴生资源的综合利用迫在眉睫。.目前已发表学术论文7篇，其中本领域主流SCI论文6篇，多次参加国内外学术会议，培养博士和硕士研究生各1名。