技术|盐湖提锂技术的重要突破

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锂是一种重要的战略性资源物质,是现代高科技产品不可或缺的重要原料。随着锂及锂盐的广泛应用和高新技术的不断发展,特别是近几年锂电池工业发展迅速,市场对锂的需求以每年10%的速率快速增长。早期的锂盐大都从矿石中提取,但随着高品位锂矿石的不断减少和矿石提锂的成本不断提高,而盐湖中富含的像锂一样的金属元素众多,因此盐湖提锂逐渐引起人们的关注。


技术|盐湖提锂技术的重要突破


盐湖提锂方法

盐湖卤水中钾、镁、硼等元素众多,物理化学性质特殊,尤其是镁,由于其与锂元素的物理化学性质相似,分离难度很大。目前盐湖提锂的生产工艺主要有溶剂萃取法、沉淀法、吸附法、煅烧浸取法、碳化法和电渗析法等。


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国内外的盐湖资源

20世纪80年代以前,世界各国主要还是从锂辉矿石中提取锂元素,主要的生产国包括美国、德国、智利等。随着锂矿石的不断消耗,矿石提锂的成本不断提高,世界上一些锂盐公司开始不断谋求新的资源和扩大产品产量的方法。实际上,矿石中锂的储量只能占到总的锂储量的20%~30%,而大多数锂资源则存在于盐湖卤水中。20世纪90年代后,随着国外盐湖提锂技术的发展和卤水资源的成功开发,盐湖提锂开始逐渐取代矿石提锂,成为碳酸锂生产的主要途径。

在我国,我国卤水资源十分丰富,盐湖卤水中锂的资源储量可以占到我国已探明的锂总储量的87%,主要分布于青海、西藏、内蒙古、新疆等四个省区。而其中青海和西藏的盐湖锂资源是我国锂盐生产工业的重要基础。被誉为“锂海”的青海新疆柴达木瓮地是盐湖最集中地区,有大型卤水矿一里坪湖、东台吉乃尔湖、西台吉乃尔盐湖和中型卤水矿大柴旦盐湖、察尔汗湖、大浪滩等15个盐湖分布其中。下表列出了我国几大盐湖的位置和特点。


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国外的盐湖卤水资源主要分布在智利、美国、中东等地区,其中已经开发的盐湖主要有智利的阿塔卡玛盐湖、美国的西尔斯湖和阿根廷的翁布雷穆尔托盐沼等等。还有一些大的盐湖,如以色列和约旦的死海等,为进行开发生产。下表列出了国外主要的盐湖资源。


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从以上这些典型的盐湖卤水资源的分布及特点可以看出,全球含锂盐湖卤水主要是位于北纬30~40℃的温带干旱地区以及难为20~30℃的热带干旱地区,大多是处于大路的西岸或西侧地区,这些地方干旱、少雨、蒸发强度大、风力强劲,不适于人类生产和生活。

我国盐湖提锂的优势

由于过去对从盐湖卤水中提取锂盐重视成不不高,技术投入较少,我国起步较晚。但近年来,盐湖提锂工业在我国却有了很大的发展,这主要是因为我国具有以下几点得天独厚的优势:

1、资源优势

我国锂资源储量巨大,仅次于玻利维亚,位于世界第二的位置。其中卤水锂资源占探明锂总资源的87%,尤其是被誉为“锂海”的柴达木盆地,有15个富锂盐湖环绕其中。而且盐湖中锂浓度较大,符合工业化提锂的要求。

2、 政策优势

盐湖资源是西部地区的优势资源,加强盐湖资源的综合利用和开发是加快西部地区经济发展的重要途径,是缩短西部地区与其他地区贫富差距的一条捷径,也是国家“西部大开发”战略的重要组成。因此在资金投入、优先贷款、基础设施建设等方面,国家对盐湖开发实行倾斜政策。国家的扶持,当地政府的重视,将大大加快盐湖资源的综合开发和利用。

3、 成本优势

在工业级碳酸锂市场中,盐湖提锂的成本优势非常明显。目前国外从盐湖卤水中生产碳酸锂的成本约为从锂矿石中生产碳酸锂成本的50%,这极大的促进了各企业、高校对于盐湖提锂工艺的研究,从而推动了我国盐湖提锂的发展。

盐湖提锂技术的重大进展

突破一:电化学脱嵌法

中南大学赵中伟教授团队长期以来从事湿法冶金、 相似元素深度分离等方面的基础理论和工艺研究,在这一领域有较深厚的作积累。在多年研发的基础上,针对我国盐湖卤水镁锂比高的特点,创新性地提出了电化学脱嵌法,并研发了相关装备和工艺,可从高“镁锂比”盐湖卤水中实现锂的高效选择性提取和富集。在实验室扩大试验阶段取得了非常好的效果,研究成果得到国际同行的高度认可。

该成果于2017年转让给上海郸华科技发展有限公司,其转让许可实施使用费共计1.048亿元,其中货币资金2480万元,股权8000万元。

技术|盐湖提锂技术的重要突破

新技术处理高镁锂比盐湖卤水时无需添加任何化工试剂,整个过程不涉及任何有害物质,环保意义显著。

突破二:选择性离子迁移法

中科院青海盐湖所马培华研究员及其团队,在长期探索镁锂分离工艺及设备优化的不同阶段,系统研究了复杂盐溶液体系镁锂分离物化机理,构建了锂资源选择性分离提取之新模式,开发了“选择性离子迁移”高效膜分离绿色技术,成功解决了高镁锂比盐湖中锂、钾、镁、硼的平衡利用问题。

首次创立了我国盐湖提锂及资源综合利用技术体系,建成了年产1万吨碳酸锂及资源综合利用生产线,专利许可两家企业实施获 4 000 万元,取得了显著的经济和社会效益,为我国盐湖锂产业的可持续发展提供了可靠技术支撑。

2014 年 1 月—2016 年 8月,共生产碳酸锂约 12600吨,累计销售收入 7.66 亿元,实现利润总额 5.41亿元。工厂建在生态脆弱的 2 600米以上的高海拔地区,采用清洁生产工艺技术开发盐湖资源,对生态环境保护具有特殊意义。

该技术的应用对我国和世界上高镁锂比盐湖提锂生产具有引领和示范作用,为打造青海省千亿元锂电产业基地和支撑我国电动汽车产业发展打下了坚实的基础。

(青海高镁锂比盐湖提锂关键技术及应用[J]. 中国科学院院刊, 2017(7):788-789.)

突破三:锂离子筛吸附法

上海空间电源研究所研发的锂离子筛吸附法在青海盐湖卤水的锂离子分离中成功应用,基本将盐湖卤水中的锂“吃干榨干”,为盐湖提锂技术带来新突破。

该技术适用于规模化生产,利用吸附剂结晶结构中的超微孔同锂离子大小相同的“体积效应”,使吸附剂对锂离子产生选择性吸附效应,达到从高镁含量盐湖卤水中分离锂离子的目的。该技术分离效果明显优于现有的离子交换膜法,可以将盐湖卤水中95%~96%的锂分离提取出来。

(米然. 盐湖提锂技术获重大突破[J]. 浙江化工, 2013(11):59-59. )

总结

锂被誉为“金属味精”,盐湖提锂技术是我国锂盐工业发展的希望所在。开发盐湖提锂新技术,将极大地促使国内高镁锂比盐湖资源转化为可经济开发利用的资源,有利于国内外盐湖提锂行业的整合,推动新能源产业的向前发展,取得新兴战略产业的话语权。

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