正交法優(yōu)化鋰云母中鉀的提取條件

湯洪波，周 健，梅光泉

(1.宜春學(xué)院 江西省高等學(xué)校應(yīng)用化學(xué)與化學(xué)生物學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 宜春 336000；2.宜春學(xué)院 江西省天然藥物活性成分研究重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江西 宜春 336000)

鋰云母是鉀和鋰的基性鋁硅酸鹽，是最常見(jiàn)的鋰礦物，也是提煉鉀的重要礦物。我國(guó)鋰礦資源豐富，以目前我國(guó)的鋰鹽產(chǎn)量計(jì)算，僅江西鋰礦就可供開(kāi)采上百年。宜春鉭鈮礦是世界上最大的鋰礦，產(chǎn)量占全國(guó)的22.5%。

鉀是鋰云母礦中重要的金屬，和鋰同為第一主族的堿金屬元素，具有較為相似的性質(zhì)[1，2]，宜春鋰云母精礦中Li2O、K2O的含量分別為4.50%和8.60%[3]，在用硫酸處理鋰云母的溶出過(guò)程中，鉀同鋰一道溶出，因此必須研究鉀的溶出行為，以便在設(shè)計(jì)溶出工藝時(shí)綜合考慮鉀的回收，提高資源的綜合利用率。

作者采用正交法研究了用硫酸處理鋰云母的浸取反應(yīng)[4]過(guò)程中相關(guān)因素對(duì)鉀的溶出行為的影響，優(yōu)化了鉀的提取條件，以進(jìn)一步完善從鋰云母中溶出鉀的工藝[5]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料、試劑與儀器

鋰云母(粒度150～180 μm)，宜春。

氯化鉀(KCl)、氯化銫(CsCl)，優(yōu)級(jí)純，阿拉丁公司；濃硫酸(分析純)、硝酸、鹽酸，優(yōu)級(jí)純，南昌鑫光精細(xì)化工廠；配制試劑用水為超純水。

TAS-990型原子吸收光譜儀，北京普析通用儀器有限公司；鉀空心陰極燈，北京君睿科技有限公司；電動(dòng)攪拌機(jī)，江蘇江陰市周莊電器五金廠；MH-1000型調(diào)溫型電熱套，北京科偉永興儀器有限公司；BS223S型電子天平(精密度0.0001 g)，江西華科精密儀器有限公司。

1.2 溶液的配制

1.2.1 1% CsCl溶液的配制

稱(chēng)取0.5000 g CsCl固體，置于50 mL燒杯中，用10 mL水溶解后，移入50 mL容量瓶中，用水稀釋至刻度，混勻，即得1% CsCl溶液。

1.2.2 鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液配制

準(zhǔn)確稱(chēng)取經(jīng)105～120 ℃干燥處理的KCl固體0.1583 g，溶于1 mL鹽酸中，用超純水定容至100 mL，混勻，儲(chǔ)于聚乙烯容量瓶中，得1 mg·mL-1的K2O溶液，即鉀標(biāo)準(zhǔn)貯存液。在50 mL的聚乙烯容量瓶中分別準(zhǔn)確移入鉀標(biāo)準(zhǔn)貯存液0 mL、1.00 mL、2.00 mL、4.00 mL、6.00 mL、8.00 mL，各加入2.00 mL HNO3和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，即得K2O濃度分別為0 μg·mL-1、1 μg·mL-1、2 μg·mL-1、4 μg·mL-1、6 μg·mL-1、8 μg·mL-1的鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液。

1.3 方法

稱(chēng)取鋰云母粉100 g置于蒸餾燒瓶中，加入一定量的濃硫酸和水，在110～120 ℃攪拌回流反應(yīng)一定時(shí)間，得含鉀的硫酸溶液。反應(yīng)結(jié)束后，過(guò)濾，移取10 mL濾液于100 mL容量瓶中，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，得樣品貯存液。再精確移取0.33 mL樣品貯存液于聚乙烯容量瓶中，加入2.00 mL HNO3溶液和3.00 mL 1% CsCl溶液，用超純水稀釋至刻度定容，混勻，得含鉀的樣品液。采用火焰原子吸收光譜法測(cè)樣品液中K2O的量。

1.4 正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了優(yōu)化從鋰云母中溶出鉀的工藝，以每100 g鋰云母提取K2O的量為指標(biāo)，以硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)時(shí)間、液固質(zhì)量比為考察因素，每個(gè)因素設(shè)3個(gè)水平，且不考慮各因素的相互作用，設(shè)計(jì)L9(34)正交實(shí)驗(yàn)[5，6]，如表1所示。

表1 正交實(shí)驗(yàn)因素與水平

1.5 火焰原子吸收光譜儀工作條件(表2)

表2 火焰原子吸收光譜儀工作條件

2 結(jié)果與討論

2.1 K2O標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)繪制

以火焰原子吸收光譜儀測(cè)定鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度，結(jié)果見(jiàn)表3。以吸光度(A)對(duì)K2O濃度(c)作圖，擬合線(xiàn)性回歸方程為：A=0.3445c+0.2774(R2=0.9517)。

表3 鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度

2.2 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析(表4)

表4 正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

由表4可知，各因素對(duì)從鋰云母中提取鉀的影響大小依次為：反應(yīng)時(shí)間>硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)>液固質(zhì)量比，鋰云母中鉀的最佳提取條件為A1B3C2，即硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為40%、反應(yīng)時(shí)間為8 h、液固質(zhì)量比為2.5∶1(g∶g)。

2.3 討論

(1)在配制鉀標(biāo)準(zhǔn)溶液時(shí)，由于移取不同體積的鉀標(biāo)準(zhǔn)貯存液時(shí)使用了不同體積和規(guī)格的移液管，產(chǎn)生了偏差，導(dǎo)致繪制的K2O標(biāo)準(zhǔn)曲線(xiàn)的相關(guān)性(R2=0.9517)不是很好，但影響不大，可忽略不計(jì)。

(2)用濃硫酸對(duì)鋰云母進(jìn)行回流浸取后，得到的含鉀的硫酸溶液中含較多不溶性雜質(zhì)，須采用過(guò)濾法去除雜質(zhì)。

3 結(jié)論

以100 g鋰云母提取K2O的量為指標(biāo)，采用火焰原子吸收光譜進(jìn)行檢測(cè)，考察硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)、反應(yīng)時(shí)間和液固質(zhì)量比3個(gè)主要因素對(duì)從鋰云母中溶出鉀的影響。通過(guò)正交實(shí)驗(yàn)確定鋰云母中鉀的最佳提取條件為：硫酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)40%、反應(yīng)時(shí)間8 h、液固質(zhì)量比2.5∶1(g∶g)。

[1] 曹錫章，宋天佑，王杏喬.無(wú)機(jī)化學(xué)[M].北京:高等教育出版社，1985：121-123.

[2] 汪貽水，彭觥.六十四種有色金屬[M].長(zhǎng)沙:中南工業(yè)大學(xué)出版社，1998：58-65.

[3] 王文祥，黃際芬，劉志宏.聯(lián)合壓煮法處理宜春鋰云母時(shí)鉀的溶出行為[J].江西冶金，2001，21(2):25-26.

[4] 喬玲，周本華，姚成.鋰云母中提取鋰的方法初步研究[J].無(wú)機(jī)鹽工業(yè)，2004，36(4):30-31.

[5] 徐鑫，張學(xué)蘭，唐超.正交法優(yōu)選炒菟絲子的最佳炮制工藝[J].中成藥，2011，33(2):359-361.