способ получения моногидрата гидроксида лития высокой степени чистоты из материалов, содержащих карбонат лития
Классы МПК: | C01D15/02 оксиды; гидроксиды C25B1/16 гидроксиды C01D1/40 электролизом |
Автор(ы): | Рябцев А.Д., Немков Н.М., Серикова Л.А., Коцупало Н.П., Сударев С.В., Мамылова Е.В., Титаренко В.И., Мухин В.В. |
Патентообладатель(и): | Закрытое акционерное общество "Экостар-Наутех" |
Приоритеты: |
подача заявки:
2001-07-20 публикация патента:
20.01.2003 |
Изобретение относится к области химической технологии получения неорганических соединений, а именно к способам получения моногидрата гидроксида лития высокой степени чистоты из материалов, содержащих карбонат лития, или технического карбоната. Карбонат лития растворяют в серной кислоте, образующейся в анодной камере мембранного электролизера, с получением раствора сульфата лития. Раствор сульфата лития с концентрацией 180-200 кг/м3 (3,3-3,6 кг-экв/м3) имеет высокую электрическую проводимость и позволяет проводить процесс конверсии сульфата лития в гидроксид в электролизере при плотности тока 5-15 А/дм и падении напряжения на ячейке 4,7-5,1 В. В условиях мембранного электролиза образующийся раствор гидроксида лития (католит) содержит примеси двух- и трехвалентных металлов, имеющихся в техническом карбонате лития или отходах, содержащих Li2СО3. Для очистки анолита от примесей используют раствор гидроксида лития и карбонат лития, полученные в рамках технологического процесса. Концентрацию гидроксида лития в католите поддерживают на уровне 35-45 кг/м3. Это достигается при концентрации кислоты в анолите 0,6-1,0 кг-экв/м3. Поддержание концентрации LiOH в католите 35-45 кг/м3 обусловлено наименьшими суммарными затратами на процесс электролиза и упаривание растворов LiOH. В растворах гидроокиси лития, поступающих на упаривание, содержание примесей Na+и K+ поддерживают на уровне 0,35-1,2 отн. % путем вывода части маточного раствора. При этом образующийся моногидрат гидроксида лития содержит
0,060 мас.% натрия (калия), который можно отмыть в условиях противоточной промывки до получения LiOH
H2О высокой степени чистоты. Углекислый газ по стадии нейтрализации серной кислоты карбонатом лития используют для утилизации лития из отработанных маточных растворов с получением карбоната лития, который используют в технологической схеме для очистки анолита или возвращают на операцию нейтрализации серной кислоты. Предлагаемый способ позволяет вовлечь в производство технический карбонат лития, а также отходы, содержащие карбонат лития, для получения моногидрата гидроксида лития высокой степени чистоты. 4 з.п. ф-лы, 6 ил., 4 табл.
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10


Формула изобретения
1. Способ получения моногидрата гидроксида лития высокой степени чистоты из материалов, содержащих карбонат лития, включающий электрохимическую конверсию хорошо растворимой соли лития в гидроксид лития методом мембранного электролиза, упаривание раствора и кристаллизацию моногидрата гидроксида лития, карбонизацию части раствора гидроксида лития (маточника) с получением карбоната лития и использованием его в технологическом процессе, отделение и утилизацию водорода, отличающийся тем, что в качестве растворимой соли лития используют сульфат лития, который получают путем прямого контакта материала, содержащего карбонат лития, или технического карбоната лития с кислотой, образующейся в анодной камере, причем концентрацию серной кислоты в анолите поддерживают на уровне 0,6-1,0 кг-экв/м3, необходимом для воспроизводства раствора сульфата лития с содержанием 3,3-3,6 кг-экв/м3, при этом часть полученного раствора сульфата лития после очистки от примесей двух- и трехвалентных металлов подвергают фильтрации и возвращают в анодное пространство электролизера, а концентрацию гидроксида лития в католите поддерживают равной 35-45 кг/м3, кристаллизацию моногидрата гидроксида лития из упаренного раствора проводят при концентрации примесных ионов натрия (калия) 0,35-1,2 отн. %, которая поддерживается за счет постоянного вывода части маточного раствора, полученные кристаллы моногидрата гидроксида лития подвергают противоточной промывке до содержания натрия (калия)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области химической технологии получения неорганических соединений, а именно к способам получения моногидрата гидроксида лития высокой степени чистоты из материалов, содержащих карбонат лития, или технического карбоната лития. Известен способ получения раствора гидроксида лития из твердых карбонатсодержащих литиевых отходов путем их контакта с водой, отстаивания образующейся пульпы, декантации осветленной жидкой фазы с последующей ее фильтрацией и рециркуляцией полученного литийсодержащего раствора через центральную камеру электродиализатора с получением в катодной камере раствора гидроксида лития, в анодной камере раствора смеси кислот, в центральной камере - обессоленной жидкости, возвращаемой на операцию контакта твердых карбонатсодержащих литиевых отходов с водой (RU 2071819, опубл. 20.01.97). Недостатками данного способа являются низкая концентрация гидроксида лития в получаемом щелочном растворе (не более 25 кг/м3), низкая производительность процесса вследствие невысокой плотности тока (до 2 А/дм2), высокие удельные энергозатраты ввиду недостаточной концентрации лития в рециркулирующем растворе из-за низкой растворимости карбоната лития, с одной стороны, и использования трехкамерной электродиализной ячейки, с другой стороны. Известен способ получения раствора гидроксида лития из материалов, содержащих соединения лития, в частности из отходов литиевых батарей /патент (New Zealand) WO 9859385, 1998/, включающий извлечение лития в виде хорошо растворимой его соли с получением раствора сульфата лития, электролиз сульфата лития в электрохимической ячейке, имеющей катодное и анодное пространства, разделенные катионообменной мембраной Nafion 350. Электролиз сульфата лития осуществляют при плотности тока 20 А/дм2 и падении напряжения на ячейке 5,3 В. При этом осуществляется вывод из катодного пространства раствора гидроксида лития (католита), а из анодного пространства - раствора сульфата лития в смеси с продуктом анодного процесса - серной кислотой (анолита). Выводимый из катодного пространства раствор гидроксида лития для очистки от примесей подвергают ультрафильтрации. К недостаткам данного способа следует отнести необходимость использования для получения чистого продукта дефицитных и дорогостоящих высокоселективных катионообменных мембран Nation 350, ограниченность вида сырья - литиевых батарей, а также необходимость применения для очистки от примесей полученного раствора гидроксида лития метода ультрафильтрации, требующего уникального оборудования (специальных высоконапорных насосов и специальных мембран). Кроме того, данный технологический процесс ограничивается получением лишь раствора LiOH и не содержит переделов, позволяющих производить в качестве конечного продукта высокочистый моногидрат гидроксида лития. Известен способ получения гидроксида лития высокой степени чистоты из природных рассолов, содержащих галогениды (хлориды и бромиды) лития, калия, кальция и магния, включающий сорбцию лития из рассола с получением раствора хлорида лития, его концентрирование и электрохимическую конверсию методом мембранного электролиза с получением раствора гидроксида лития, содержащего LiOH до 14,0 маc.%, кристаллизацию моногидрата гидроксида лития, карбонизацию части раствора LiOH с получением карбоната лития и утилизацию хлора и водорода (RU 2157338, опубл. 10.10.2000). Электрохимической конверсии подвергают смесь раствора хлорида лития с карбонатом лития, причем хлорид лития получают путем пропускания рассола через слой неорганического сорбента с последующим элюированием водой, получением раствора хлорида лития и его очисткой от примесей на катионите, а электролиз проводят в присутствии восстановителя при плотности тока 3-30 А/дм2. Отходящий анодный хлор улавливают бромсодержащим рассолом, катодный водород сжигают, а выделяющееся тепло используют для упаривания раствора гидроксида лития. Маточный раствор после кристаллизации LiOH
Технический результат достигается тем, что материал, содержащий карбонат лития, или технический карбонат лития растворяют в кислоте, образующейся в анодной камере электролизера, с образованием сульфата лития. Раствор сульфата лития имеет высокую удельную электропроводимость, поэтому использование его для конверсии в гидроксид лития сопровождается снижением омических потерь в электролите и снижением напряжения при электролизе в целом Кроме того, при электролизе сульфатных растворов возможно использование свинцовых анодов, что значительно снижает стоимость электролизера (катодом в этом случае служит нержавеющая сталь). Выделяющийся на аноде кислород не создает проблем с его утилизацией, а образующаяся кислота позволяет легко осуществлять процесс воспроизводства сульфата лития из его карбоната. Электродные процессы описываются следующими реакциями:
H2O-2е-->2H++1/2О2

2Н2O+2е-->2ОН-+Н2

В результате анодного процесса генерируются Н+ - ионы, а перенос ионов лития в катодную камеру обеспечивает наличие свободных ионов SO4 2-, которые задерживаются катионообменной мембраной в анодной камере, поэтому в анолите всегда присутствует серная кислота. При контакте анолита с карбонатом лития в результате реакции нейтрализации образуется сульфат лития по реакции:
H2SO4+Li2CO3=Li2SO4+H2O+CO2

И таким образом, осуществляется воспроизводство раствора сульфата лития, при этом обеспечивается его концентрация 180-200 г/л (3,3-3,6 г-экв/л). Растворы с указанной концентрацией Li2SO4 имеют наиболее высокую электропроводимость, снижение концентрации ниже 180 г/л приводит к снижению электропроводимости раствора, повышение концентрации выше 200 г/л вызывает увеличение вязкости раствора. Конверсию таких растворов сульфата лития проводили при плотностях тока от 5 до 15 А/дм2. При указанных плотностях тока процесс протекает стабильно и не наблюдается поляризации мембран. Катионообменная мембрана обеспечивает перенос катионов из анодного пространства в катодное под действием электрического поля с образованием раствора гидроксида лития, в котором будут присутствовать катионы - примеси, содержащиеся в исходном карбонате лития (Na+, К+, Са2+ Mg2+, Fe3+ Al3+), что может загрязнять конечный продукт LiOH

Са2++Li2СО3=СаСО3

Mg2++2LiOH=Mg(OH)2

Fe3++3LiOH=Fe(OH)3

Al3++3LiOH=Аl(ОН)3

4Аl(ОН)3+Li2СО3+nН2O=Li2CO3



карбонатсодержащая разновидность двойного гидроксида алюминия и лития. Осуществление очистки анолита от указанных примесей позволяет получать конечный продукт высокой степени чистоты. Технический результат достигается также тем, что концентрацию раствора LiOH в катодной камере поддерживают на уровне 35-45 кг/м3, раствор LiOH упаривают до содержания 170-180 кг/м3, упаренный раствор охлаждают до 30-40oС. Полученные кристаллы LiOH




2LiOH(p)+СO2(T)=Li2СО3(т)

Полученная пульпа карбоната лития фильтруется, твердая фаза карбоната лития отделяется и после промывки подается на операцию очистки анолита или нейтрализации серной кислоты, а фаза раствора, содержащая карбонаты и гидроксиды щелочных металлов, выводится из технологического цикла. Предлагаемый способ получения моногидрата гидроксида лития, выполненный согласно изобретению, позволяет получать конечный продукт высокой степени чистоты из материалов, содержащих карбонат лития, загрязненных примесями и представляющих собой плохо растворимые литиевые соединения, при минимальном расходе энергии и высоком выходе LiOH

В дальнейшем предлагаемое изобретение поясняется конкретными примерами его выполнения, графиками и чертежами, где
на фиг.1 показана технологическая схема получения моногидрата гидроксида лития из технического карбоната путем мембранного электролиза сульфата лития;
на фиг.2 - принципиальная схема лабораторной установки для получения раствора LiOH из карбоната лития путем мембранного электролиза сульфата лития:
1 - мембранный электролизер; 2 - реактор для перевода Li2СО3 в сульфат лития; 3 - емкость для католита; 4 - насос; 5 - U-образный манометр; 6,7 - дозаторы воды в анолит и католит; 8 - гидрозатвор; 9,10 - фильтры; 11 - приемная емкость раствора LiOH;
на фиг. 3 - зависимость динамической вязкости -




на фиг. 4 - зависимость переноса ионов лития от содержания кислоты в анолите при содержании LiOH в католите 45 г/л (j=10,2 А/дм2);
на фиг. 5 - на график зависимости изменения стоимости энергозатрат на получение 1 т LiOH

1) стоимость энергозатрат на мембранный электролиз;
2) стоимость энергозатрат на упаривание раствора;
3) суммарная стоимость комбинированного метода;
на фиг.6 - зависимость остаточного содержания примеси натрия в LiOH

Технология получения LiOH

- перевод карбоната лития в раствор сульфата лития;
- очистку раствора сульфата лития от примесей Са, Mg, Fe, Al карбонатно-щелочным методом;
- получение конверсионных растворов щелочи (католита) методом мембранного электролиза;
- получение кристаллов LiOH


- противоточная промывка конденсатом (обессоленной водой) отжатого LiOH

- карбонизация щелочных маточных растворов с получением пульпы Li2CO3, отделение твердой фазы фильтрованием, противоточная промывка конденсатом и возврат Li2CO3 в технологический процесс. На фиг.1 представлена предлагаемая технологическая схема получения моногидрата гидроксида лития. Технологическая цепочка имеет следующий порядок операций. Кислый раствор сульфата лития, полученный путем нейтрализации Н2SO4 карбонатом лития, подается на операцию электрохимической конверсии Li2SO4 в LiOH, после которой смесь сульфатного раствора и аноднообразующейся серной кислоты, полученной в результате электрохимической реакции, вновь возвращается на стадию получения сульфата лития (реакция 3) для восполнения литийсодержащего материала и нейтрализации избытка кислоты карбонатом лития. При этом происходит постоянная очистка анолита от примесей Са2+, Mg2+, Fe3+ Al3+, перешедших в раствор. Очистка осуществляется карбонатно-щелочным методом путем вывода части сульфатного раствора, нейтрализации кислотности твердым карбонатом лития и дополнительного подщелачивания концентрированным раствором LiOH, фильтрации с целью отделения осадка (СаСО3, Mg(OH)2, Fе(ОН)3, Аl(ОН)3 и ДГАЛ-СО3 (реакции 4-8) с последующим возвращением очищенного раствора сульфата лития в анодное пространство электролизера. Уровень рН сульфатного раствора регулируется расходом Li2CO3, а концентрация SO4 2- - путем введения H2O, количество которой в сульфатном растворе уменьшается в процессе электрохимической конверсии. Вывод газообразных продуктов из катодной (водород) и анодной (кислород) камер осуществляется через газоотделители. Образующийся в конверсионной установке раствор щелочи, концентрация которого поддерживается путем подачи воды, частично выводится из процесса и направляется на стадию упаривания. После упаривания, охлаждения упаренного раствора и кристаллизации пульпа LiOH










Класс C01D15/02 оксиды; гидроксиды