CWL-M型離心萃取機(jī)在沉鋰母液回收鋰中的應(yīng)用

李國(guó)偉，郝文藝，李瑞琛，張書(shū)鋒

(鄭州天一萃取科技有限公司，河南 鄭州 450001)

由于鋰電池在消費(fèi)電子以及電動(dòng)汽車行業(yè)中的應(yīng)用，使得鋰資源的需求得到了顯著的提升，碳酸鋰(Li2CO3)是生產(chǎn)正極材料的基礎(chǔ)原材料。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查局的報(bào)告，電池行業(yè)鋰產(chǎn)品的消費(fèi)占比為39%，預(yù)計(jì)2025年鋰電池生產(chǎn)過(guò)程中鋰需求增加約70%，鋰資源呈現(xiàn)供不應(yīng)求的局面。目前鋰原料主要有鋰礦石、鹽湖鹵水和二次鋰資源。碳酸鋰產(chǎn)品是由凈化后的高濃度硫酸鋰或者氯化鋰溶液經(jīng)過(guò)碳酸鈉沉淀得到的。由于碳酸鋰具有一定的溶解度，沉淀后母液中仍含有大量的鋰，同時(shí)含有大量鈉以及殘余的碳酸根離子，溶液呈堿性，鋰在母液中難以回收。實(shí)現(xiàn)沉鋰母液中鋰的高效回收，提高整體工藝流程中的鋰回收率成為近年來(lái)的研究重點(diǎn)。

1 沉鋰母液回收鋰的方法

目前沉鋰母液回收鋰的方法主要有磷酸鋰法、加酸濃縮法、加酸自循環(huán)和溶劑萃取法。不同回收方法工藝對(duì)比如下：①磷酸鋰法。優(yōu)點(diǎn)：回收率較高，其回收率達(dá)到90%；缺點(diǎn)：磷酸鋰價(jià)格較低，成本較高，經(jīng)濟(jì)效益不高。②加酸濃縮法。優(yōu)點(diǎn)：工藝簡(jiǎn)單，投入較小，可以得到高純度的氯化鋰溶液；缺點(diǎn)：回收率較低，一般為70%。生產(chǎn)周期較長(zhǎng)。③加酸自循環(huán)。優(yōu)點(diǎn)：可以利用現(xiàn)有工藝，幾乎沒(méi)有投入，鋰幾乎沒(méi)有損失；缺點(diǎn)：流程長(zhǎng)、占用現(xiàn)有的生產(chǎn)線，不能增加產(chǎn)量，降低原有的產(chǎn)能。④溶劑萃取法。優(yōu)點(diǎn)：分離效率高、回收率高、能耗低、處理量大；缺點(diǎn)：對(duì)萃取設(shè)備要求高。

實(shí)現(xiàn)萃取分離效果的關(guān)鍵因素是選擇合適的萃取設(shè)備，傳統(tǒng)的萃取分離設(shè)備主要有混合澄清槽和萃取塔，存在料液存留量大、占地面積大、傳質(zhì)效率低以及有機(jī)相損失大等問(wèn)題。而CWL-M型離心萃取機(jī)是新一代的高效快速萃取分離設(shè)備，可以快速建立平衡，根據(jù)不同的混合體系要求，調(diào)整混合與分離的部件，滿足萃取效率高、傳質(zhì)級(jí)效率高以及能耗低的要求。

2 新型離心萃取機(jī)結(jié)構(gòu)及工作原理

離心萃取機(jī)是一種通過(guò)離心力有效提取和分離液液兩相的設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)液液兩相傳質(zhì)、反應(yīng)、萃取、洗滌、分離等功能。CWL-M新型離心萃取機(jī)采用上懸式單支點(diǎn)結(jié)構(gòu)，無(wú)底部機(jī)械密封。同時(shí)轉(zhuǎn)鼓上方軸承采用雙極迷宮密封裝置，確保設(shè)備內(nèi)部氣體泄漏。離心萃取機(jī)工作時(shí)利用電機(jī)帶動(dòng)轉(zhuǎn)鼓高速轉(zhuǎn)動(dòng)，密度不同且互不相溶的兩種液體(密度大的一相稱為重相，密度小的一相稱為輕相)按照一定的流比分別從兩個(gè)進(jìn)料口進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓和殼體之間的混合區(qū)，使兩相快速混合，完成萃取傳質(zhì)過(guò)程。混合液在渦流盤(pán)的作用下進(jìn)入轉(zhuǎn)鼓，混合液與轉(zhuǎn)鼓同步旋轉(zhuǎn)，在離心力的作用下，密度大的重相在向上流動(dòng)過(guò)程中逐步遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)鼓中心而靠向轉(zhuǎn)鼓壁；密度小的輕相逐步遠(yuǎn)離轉(zhuǎn)鼓壁而靠向中心，澄清后的兩相液體最終通過(guò)各自堰板進(jìn)入收集室，并由出料管分別引出機(jī)外，完成兩相分離過(guò)程。

3 離心萃取法回收沉鋰母液中鋰的原理

沉鋰母液經(jīng)調(diào)pH值后與萃取劑在離心機(jī)中充分混合，沉鋰母液中的Li在萃取過(guò)程中以Li+形式存在。由于沉鋰母液與萃取劑互不相溶，在離心萃取機(jī)中存在兩種液相：沉鋰母液和萃取劑。通過(guò)攪拌，產(chǎn)生很大的相界面，使兩相充分接觸，Li+被萃取劑選擇性萃取，從含大量Na+的沉鋰母液中分離出來(lái)，從而達(dá)到分離和提純目的。提取過(guò)程如下：

由于沉鋰母液與萃取劑之間有密度差，在離心力作用下產(chǎn)生分層，從而實(shí)現(xiàn)分離的目的。以萃取劑為主，并含有較多的鋰為萃取相，以沉鋰母液為主，并殘有少量鋰為萃余相。反萃則是利用萃取反應(yīng)的逆過(guò)程，采用鹽酸或者硫酸溶液與含有鋰的萃取相進(jìn)行混合，在離心萃取機(jī)內(nèi)實(shí)現(xiàn)混合與分離，得到高濃度的鋰溶液和空白有機(jī)相。

4 在沉鋰母液回收鋰中的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)可知，年產(chǎn)1萬(wàn)t碳酸鋰的生產(chǎn)線每小時(shí)產(chǎn)生15 m3的沉鋰母液。本試驗(yàn)所處理的沉鋰母液取自青海某鹽湖企業(yè)，主要成分見(jiàn)表1。

表1 沉鋰母液主要成分

優(yōu)化后的萃取工藝條件：采用該萃取體系，萃取段相比(O/A)=1∶(1～1.5)；經(jīng)過(guò)兩級(jí)萃取后，負(fù)載有機(jī)采用洗酸洗滌，洗滌相比(O/A)=(10～15)∶1；最后采用6 mol/L鹽酸進(jìn)行兩級(jí)反萃，反萃相比(O/A)=(15～20)∶1，反萃后有機(jī)相循環(huán)使用。高鋰溶液經(jīng)碳酸鈉沉淀得到碳酸鋰產(chǎn)品。以上萃取過(guò)程沉鋰母液的流量為15 m3/h，有機(jī)相流量為10～15 m3/h，針對(duì)該混合通量選用CWL650-M型離心萃取機(jī)，設(shè)備技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。離心萃取法回收沉鋰母液中鋰的工藝流程如圖1所示。

圖1 離心萃取法回收沉鋰母液中鋰流程簡(jiǎn)圖

表2 CWL650-M型離心萃取機(jī)技術(shù)參數(shù)

沉鋰母液先調(diào)節(jié)pH值，過(guò)濾除去部分結(jié)晶物，濾液進(jìn)入離心機(jī)萃取段，萃取后的萃余液進(jìn)入后續(xù)污水處理，含有鋰的萃取相進(jìn)入洗滌工序進(jìn)行離心洗滌，然后進(jìn)入離心反萃，得到的空載有機(jī)循環(huán)使用，高鋰母液進(jìn)入沉鋰工段進(jìn)行沉鋰。

該工藝生產(chǎn)線于2021年9月下旬投入使用，處理沉鋰母液15～20 m3/h。目前中試線運(yùn)行穩(wěn)定，獲得的高濃度氯化鋰溶液成分含量穩(wěn)定(如表3所示)，可直接用于生產(chǎn)電池級(jí)碳酸鋰。

表3 高濃度鋰溶液主要成分

5 結(jié)論

目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)碳酸鋰價(jià)格高達(dá)50萬(wàn)元/t。采用離心萃取法直接從沉鋰母液中回收鋰，可提高鋰的整體回收率，降低生產(chǎn)成本，解決沉鋰母液回收鋰的難題，使含鋰資源得以綜合開(kāi)發(fā)利用，從而實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的增長(zhǎng)。CWL-M型離心萃取機(jī)應(yīng)用于沉鋰母液回收鋰，與傳統(tǒng)的混合澄清槽、萃取塔相比，具有萃取效率高，有機(jī)挾帶量少，萃取平衡時(shí)間短，可實(shí)現(xiàn)即開(kāi)即停、在線清洗，沉鋰母液中鋰回收率較高且雜質(zhì)金屬分離效果好，適宜工業(yè)化推廣應(yīng)用。