2.4 新的生產(chǎn)技術(shù)
以下對(duì)目前正在開發(fā)和考慮應(yīng)用的鋰提煉技術(shù)進(jìn)行概述。
2.4.1 鹵水的新生產(chǎn)技術(shù)
該技術(shù)主要針對(duì)南美地區(qū)鹽湖中的鹵水回收,目前正在研究鋰成分的沉淀回收、電解、溶劑萃取濃縮、選擇性吸附等方法。還提出了專門用于鋰的分子識(shí)別技術(shù)(MRT:Molecular Recognition Technology),以及從原油、地?zé)岚樯u水中回收(即通過真空蒸發(fā)代替蒸發(fā)池進(jìn)行鋰成分的濃縮)為目的的技術(shù)。這兩項(xiàng)新技術(shù)的目的都是為了減少或省去太陽蒸發(fā)這一過程。
以下是對(duì)鹵水提鋰新技術(shù)的介紹。
(1)POSCO(磷酸鹽沉淀-膜電解)法
該方法是由POSCO公司研發(fā)的,旨在開發(fā)阿根廷鹽湖中的鋰。
①經(jīng)太陽蒸發(fā)提高鹵水中鋰的濃度,再用堿性溶液(NaOH)進(jìn)行中和,以除去雜質(zhì)(Mg和Ca)。
②向不含雜質(zhì)的鋰溶液中加入Na3PO4,使不溶性低的磷酸鋰沉淀析出。
③利用過量的磷酸將磷酸鋰沉淀溶解,以形成酸性磷酸鋰溶液。
④在離子交換膜分離裝置中通過電解法生產(chǎn)氫氧化鋰。
預(yù)計(jì)利用該技術(shù)可以生產(chǎn)出高純度的氫氧化鋰,但其缺點(diǎn)是化學(xué)藥劑(NaOH、磷酸和磷酸鹽)的使用成本增加。
取代反應(yīng)的化學(xué)式(簡(jiǎn)化)為L(zhǎng)i3PO4+3H2O→3LiOH+H3PO4。
圖9 POSCO法的工藝概況
(2)LiSX法
該技術(shù)利用有機(jī)溶劑和萃取劑從鹵水中萃取鋰。是Tenova Bateman公司研發(fā)的一種提鋰方法。將SX-EW法中用于提煉銅的技術(shù)應(yīng)用于鋰的提取,并使用了能選擇性提鋰的提取劑。
①對(duì)鹵水進(jìn)行LiP預(yù)處理(如膜分離等物理處理),以去除雜質(zhì)(Mg和Ca)。
②進(jìn)行LiSX(溶劑萃取工藝)處理。與以往的溶劑萃取一樣,經(jīng)過萃取、洗滌、反萃取三個(gè)步驟制得高純度的鋰溶液
③商品化過程(碳化和羥基化)。
另外,溶劑萃取反應(yīng)是在立式塔中進(jìn)行的,而不是在傳統(tǒng)的攪拌-沉淀器中進(jìn)行的。
該技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是,不需要蒸發(fā)池(但是必須進(jìn)行預(yù)處理以去除雜質(zhì)),從而縮短了生產(chǎn)時(shí)間(蒸發(fā)池法約需要18個(gè)月,而LiSX法僅需要數(shù)小時(shí))。另一方面,其缺點(diǎn)是有機(jī)溶劑的成本較高,以及存在鹽湖的高原地區(qū)的揮發(fā)性使得有機(jī)溶劑難以處理。
圖10 LiSX法的工藝概況
(3)Eramet法(吸附法)
該方法主要是針對(duì)阿根廷的Centenario鹽湖和Ratones鹽湖。
①在太陽蒸發(fā)過程的預(yù)處理中,利用吸附劑選擇性地吸附和濃縮鋰。吸附劑的種類和詳細(xì)情況不詳。鋰的吸附柱是一個(gè)裝滿珠狀吸附劑的的柱子,注入鹵水時(shí)鋰被吸附。
②用水洗(或酸洗)對(duì)吸附柱進(jìn)行鋰的解吸附。
③蒸發(fā)含有濃縮鋰的處理液。之后的處理類似于Atacama法。
這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)將使蒸發(fā)池的面積變小。然而,必須考慮吸附劑的成本問題。
圖11 Eramet法
2.4.2 礦石和沉積巖的新生產(chǎn)技術(shù)
針對(duì)粘土礦(鋰蒙脫石)、鋰云母和Li-B類沉積巖(硅硼鈉石)等“非常規(guī)沉積巖原料”的提鋰方法,雖然因沉積巖的礦物形態(tài)不同而有所差異,但與鋰輝石礦石相比,其特點(diǎn)是省去了煅燒的過程。由于一些沉積巖中的鋰含量比鋰輝石礦石低,因此去除雜質(zhì)可能更多的時(shí)間。雖然消耗的能量比鋰輝石礦石低,但還沒有投入實(shí)際使用。其原因是,有些礦床的鋰品位較低(鋰蒙脫石、硅硼鈉石),并且與鋰輝石相比其礦物成分更加復(fù)雜(鋰云母等),雜質(zhì)處理難度也更大。
(1)從粘土礦物(鋰蒙脫石)精礦生產(chǎn)
①加入CaCO3和CaSO4后混合(制粒過程)。
②煅燒過程:加熱至1050oC(不含揮發(fā)性成分)。
③水浸制得硫酸鋰溶液。
④蒸發(fā)/結(jié)晶(分步結(jié)晶法):根據(jù)各元素的溶解度差異去除雜質(zhì)。
⑤加入純堿對(duì)硫酸鋰溶液中進(jìn)行碳化處理。
這種生產(chǎn)方法最初是由當(dāng)時(shí)的Western Lithium公司(現(xiàn)在的Lithium Americas公司)提出來的,但現(xiàn)在已經(jīng)改為只用硫酸浸出而不煅燒。另外,鋰蒙脫石的礦物成分為Na0.3(Mg, Li)3Si4O10(OH)2,較鋰輝石礦石更為復(fù)雜。
圖12 從鋰蒙脫石提鋰的方法
(2)從含鋰的云母礦物中回收(L-Max、SiLeach)
這是由澳大利亞的企業(yè)(Lepidico公司和Lithium Australia公司)研發(fā)的生產(chǎn)方法。
①在約100oC的高溫和大氣壓下,用硫酸浸提取鋰云母。
②進(jìn)行包括石膏沉淀去除、Fe、Al等雜質(zhì)去除、Ca等雜質(zhì)去除在內(nèi)的多級(jí)凈化(去除雜質(zhì)沉淀)。
③用碳酸鹽化的方式回收碳酸鋰。
該方法的優(yōu)點(diǎn)是不需要煅燒,從而達(dá)到節(jié)能的目的,而且品位與鋰輝石差不多。據(jù)研發(fā)企業(yè)介紹,即使將K2SO4、Na2SiO3、CsCOOH等副產(chǎn)品也考慮在內(nèi),其成本也較低,但也面臨著液體凈化過程多且困難等問題。鋰云母的礦物成分為K(Li, Al)3(Si, Al)4O10(F, OH)2,作為礦物其Li2O的含量較小。
圖13 從鋰云母中提鋰的方法
(3)從Li-B類沉積巖中的回收
這是由ioneer公司(原Global Geoscience公司)為美國內(nèi)華達(dá)州的Rhyolite Ridge項(xiàng)目研發(fā)的生產(chǎn)方法。以Li-B類沉積巖(硅硼鈉石)為對(duì)象,用硫酸浸出處理生產(chǎn)硫酸鋰溶液。提純方法如下:
①硅硼鈉石精礦→槽式(VAT)浸出(在開式反應(yīng)器中于50~60oC的常壓下進(jìn)行硫酸浸出)。
②通過蒸發(fā)和結(jié)晶提取B。
③與鹵水處理方法類似,去除雜質(zhì)(多級(jí)中和/離子交換)→碳化過程(添加純堿)。預(yù)計(jì)硼酸為副產(chǎn)品。
硅硼鈉石因受風(fēng)化影響而適合硫酸浸出,但是品位較低(Li:1740 ppm=Li2O:3.730 ppm)。硅硼鈉石的礦物成分為NaBSi2O5(OH)2(Na部分被Li取代)。
圖14 Li-B類礦石(硅硼鈉石)中生產(chǎn)鋰化合物的方法
2.4.3 其他的研發(fā)實(shí)例
作為接近商業(yè)化的項(xiàng)目,Nemaska Lithium公司在加拿大魁北克省的Whabouchi礦和Shawinigan精煉廠,旨在用上面提到的硫酸鋰溶液電解法生產(chǎn)LiOH·H2O。除了最后一步通過膜電解得到氫氧化鋰外,其工藝流程被認(rèn)為與普通的鋰輝石礦石相似。
生產(chǎn)工藝流程如下:
①通過采礦(露天開采)和選礦(重選、磁選、浮選)獲得精礦后進(jìn)行煅燒。
②加入硫酸并加熱,然后用水浸出,從而制得硫酸鋰溶液。通過水浸去除AlO2O3和SiO2。
③去除雜質(zhì)(多級(jí)中和:去除Al/Fe→去除Mg/K等+離子交換)。
④通過膜(陽離子交換膜)電解制得氫氧化鋰溶液。
⑤通過加熱和結(jié)晶制得氫氧化鋰(可有選擇性地加入純堿進(jìn)行碳酸鹽化)。最終的產(chǎn)品是氫氧化鋰和碳酸鋰。
通過多級(jí)中和和離子交換來嚴(yán)格地去除雜質(zhì)(ppb級(jí)),其純度足以承受電解(即在電解過程中陽離子交換膜不會(huì)被雜質(zhì)堵塞的水平)。目前,該項(xiàng)目正處于年產(chǎn)數(shù)百噸的示范階段。
2.4.4 從鋰離子電池(LiB)中的回收再利用
目前,Co和Ni是LiB的主要回收目標(biāo)。干法熔煉的優(yōu)點(diǎn)是可以直接加入LiB,但能耗較大,并且鋰被轉(zhuǎn)移到礦渣中,使回收變得困難。雖然濕法冶金具有能夠回收所有元素的優(yōu)點(diǎn),但是預(yù)計(jì)處理工藝復(fù)雜且對(duì)化學(xué)品的消耗量很大,從而導(dǎo)致盈利能力差。由于上述原因,鋰的回收工作一直沒有進(jìn)展。另外,如廢舊LiB回收系統(tǒng)等社會(huì)基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)也是一個(gè)大難題。但是,Umicore公司和JX金屬公司正在研發(fā)能夠從LiB中回收所有金屬的技術(shù)。