高镁锂比盐湖卤水镁锂分离工艺(1).pdf
高镁锂比盐湖卤水镁锂分离工艺 ① 张丽芬1, 张大义2, 欧阳红勇1, 汪全义2, 宁顺明1, 万洪强1 (1.长沙矿冶研究院有限责任公司,湖南 长沙 410012; 2.五矿盐湖有限公司,青海 格尔木 816000) 摘 要 以酸化提硼后卤水为原料,采用饱和氯化钾溶液作为沉镁剂,使用三步结晶法进行了沉淀镁并富集锂的研究。 结果表明, 通过 3 段蒸发结晶析出光卤石,可以有效地实现镁锂分离添加 95%理论用量的氯化钾可以把原卤水中的镁锂质量比由 10.1 ∶1降 低到 0.39 ∶1,锂在滤液中总回收率为 77.90%,并使锂浓度从 10 g/ L 富集到 49.30 g/ L。 关键词 盐湖卤水; 镁; 锂; 镁锂分离; 光卤石; 蒸发; 沉淀; 结晶 中图分类号 TQ124.4文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.04.022 文章编号 0253-6099(2016)04-0083-05 Technique for Separating Magnesium and Lithium from Salt Lake Brine with High Mg/ Li Ratio ZHANG Li⁃fen1, ZHANG Da⁃yi2, OUYANG Hong⁃yong1, WANG Quan⁃yi2, NING Shun⁃ming1, WAN Hong⁃qiang1 (1.Changsha Research Institute of Mining and Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China; 2.Minmetals Salt Lake Co Ltd, Geermu 816000, Qinghai, China) Abstract With the salt lake brine after boron recovery as raw material and saturated solution of potassium chloride for magnesium precipitation, research was carried out on separating lithium from magnesium by the process of three⁃step evaporation crystallization. The experimental results show that the separation between lithium and magnesium could be attained after carnallite precipitation through three⁃step evaporation crystallization. The mass ratio of magnesium to lithium was reduced from 10.1∶1 to 0.39∶1 with the addition of potassium chloride at 95% of theoretical amount, resulting in the total Li+recovery from the filtrate reaching 77.90%, and Li+concentration enriched from 10 g/ L to 49.30 g/ L. Key words salt lake brine; magnesium; lithium; Mg/ Li separation; carnallite; evaporation; precipitation; crystallization 锂及其化合物被广泛应用于玻璃、陶瓷、电池、医 药以及核工业等领域,国内外市场对锂产品的需求量 持续增长,如何高效廉价地从高镁锂比盐湖卤水中富 集并获取锂及其化合物是当下研究的重点和热点。 从 盐湖卤水中提取锂的方法目前主要有沉淀法[1]、蒸发 结晶法[2]、碳化法[3]、煅烧浸取法[4]、溶剂萃取法[5-6]、 吸附法[7-8]、太阳池升温沉锂法[9]、电化学法[10-11]、膜 分离法[12-13]、许氏法[14]等。 沉淀法是最早被研究并 已经在工业上应用的方法,适用于中低镁锂比盐湖卤 水。 太阳池升温沉锂法主要适用于低镁锂比的碳酸盐 型盐湖卤水。 对于高镁锂比盐湖提锂并已经产业化的 方法有煅烧浸取法、膜分离法以及吸附法,其中煅烧浸 取法可以解决高镁锂比盐湖卤水中的镁锂分离问题, 但能耗较大,经济效益并不理想。 膜分离法可直接从 盐湖卤水中制取电池级碳酸锂,但存在膜容易堵塞污 染、收率不高等缺点。 吸附法可分别应用于低镁锂比 和高镁锂比的盐湖卤水[9,15],但吸附法存在吸附剂溶 损大、生产得到的碳酸锂产品品质不高等问题。 综上所述,发展高效低成本的高镁锂比盐湖卤水 提取锂技术依然存在重大的挑战。 光卤石是富含氯化 钾和氯化镁,化学式为 KClMgCl26H2O 的化合物。 国内外虽然对光卤石合成以及 Li+,K+,Mg 2+ ∥Cl-⁃H2O 四元水盐体系进行过报道[16-25],但用生成光卤石除镁 并富集锂的效果还未见详细报道。 本文采用添加饱和 氯化钾溶液,通过三步蒸发浓缩、结晶析出光卤石,以 实现镁锂分离。 研究结果表明该法可以有效降低卤水 中的镁锂质量比,并高效富集溶液中的锂。 1 试验部分 1.1 试验原料 以青海某公司提供的提硼后卤水成分为基准,采 用分析纯化学试剂配制试验卤水,如表 1 所示。 其中 ①收稿日期 2016-01-10 作者简介 张丽芬(1983-),女,广东清远人,硕士,主要研究方向为盐湖资源综合利用。 第 36 卷第 4 期 2016 年 08 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №4 August 2016 卤水 Mg/ Li 比(质量比,以下同)为 10.1 ∶1。 采用分析 纯化学试剂配制饱和氯化钾溶液。 表 1 卤水主要成分/ (gL -1 ) K+Mg 2+ Li+Cl-B 0.1100.9510353.90.04 1.2 试验过程 量取 2 L 配制卤水(L0)置于烧杯中,第 1 段蒸发 在电炉上进行,恒温加热搅拌,待温度上升至指定温度 时,加入氯化钾理论用量的 50%,待蒸发率达到 7%后 停止加热,自然冷却到室温,过滤得到滤液 L1和固体 S1;第 2 段蒸发将滤液 L1以相同方式加热搅拌,待温 度上升至一定温度时,加入氯化钾理论用量的 30%, 待蒸发率达到 10%后停止加热,自然冷却到室温,过 滤得到滤液 L2和固体 S2;第 3 段蒸发将滤液 L2以相 同方式加热搅拌,待温度上升至一定温度时,加入氯化 钾理论用量的 15%,待蒸发率达到 10%后停止加热, 自然冷却到室温,过滤得到滤液 L3和固体 S3。 以上三 段氯化钾均以饱和溶液的形式加入到卤水中,三段蒸 发过滤得到的滤液和固体分别分析测定元素含量。 蒸 发过程发生的主要反应如式(1)所示,所用氯化钾理 论用量根据卤水中镁总量按反应式(1)计算,蒸发率 ω 按式(2)计算。 MgCl2+KCl+6H2OKClMgCl26H2O(1) ω= W原 -W 剩 W原 100% (2) 式中 ω 为蒸发率,%;W原为蒸发前卤水与氯化钾的质 量之和,g;W剩为蒸发后剩余卤水的质量,g。 1.3 分析方法 采用火焰原子吸收光谱仪分析卤水中 K+和 Li+的 含量;采用硝酸银容量法分析卤水中 Cl-的含量;采用 电感耦合等离子体发射光谱仪分析卤水中 B 的含量; 采用 EDTA 容量法分析卤水中 Mg 2+ 的含量。 2 试验结果与分析 2.1 温度对各阶段滤液中锂浓度、镁浓度、镁锂比以 及锂回收率的影响 图 1 为反应温度与各阶段滤液中锂浓度的关系 图。 从图 1 可以看出,在相同温度下,从第 1 段蒸发到 第 3 段蒸发,锂浓度不断增大;在 70~120 ℃之间,随着 温度升高,相同段滤液中锂的浓度先增加后减少;80 ℃ 时,经过三段蒸发浓缩,锂得到很好的富集,锂浓度由 原卤水的 10 g/ L 提高到 43.10 g/ L。 , 44 40 36 32 28 24 20 16 12 708090100110120 V7,g L-1 1,C, 2,C, 3,C, 图 1 反应温度与各阶段滤液中锂浓度的关系 图 2 为反应温度与各阶段滤液中镁浓度的关系 图。 从图 2 可以看出,在相同温度下,从第 1 段蒸发到 第 3 段蒸发,镁浓度不断减少;在 70~120 ℃之间,随 着温度升高,每段滤液中镁的浓度先减少后增大;80 ℃ 时,经过三段浓缩脱除,镁浓度由原来的 100.95 g/ L 降 低到 29.49 g/ L。 , 100 90 80 70 60 50 40 30 20 708090100110120 57,g L-1 1,C, 2,C, 3,C, 图 2 反应温度与各阶段滤液中镁浓度的关系 图 3 为反应温度与各阶段滤液中镁锂比的关系 图。 从图 3 可以看出,在相同温度下,从第 1 段蒸发 到第 3 段蒸发,镁锂比不断降低;在 70~120 ℃之间, 随着温度升高,相同段滤液中镁锂比先减少后增大; 80 ℃时,经过三段蒸发浓缩,镁锂比由原来的 10.1 降 低到 0.68。 , 6 5 4 3 2 1 0 708090100110120 Mg/LiD4 1,C, 2,C, 3,C, 图 3 反应温度与各阶段滤液中 Mg/ Li 质量比的关系 48矿 冶 工 程第 36 卷 图 4 为反应温度对各阶段滤液中锂回收率的影 响。 从图 4 可以看出,在相同温度下,从第 1 段蒸发到 第 3 段蒸发,随着每段析出固体的夹带损失,锂回收率 逐步下降;在 70~120 ℃ 之间,随着温度升高,每段滤 液中的锂回收率先增大后减少;80 ℃和 90 ℃时,经过 三段蒸发浓缩,滤液中锂的总回收率分别达到 77.92% 和 78.56%。 , 95 90 85 80 75 70 708090100110120 V/;5 1,C, 2,C, 3,C, 图 4 反应温度对各阶段滤液中锂回收率的影响 根据文献[24-25],六水光卤石在高于 90 ℃时开 始失水产生二水光卤石,发生如下反应 KClMgCl26H2O 90 ℃ KClMgCl22H2O+4H2O 而且光卤石在脱水过程中伴随着水解,六水光卤石的 水解较轻微,二水光卤石的水解较为显著,水解产物由 KCl、MgCl2、MgO、H2O 组成。 故在温度高于 90 ℃ 时, 不利于溶液中生成六水光卤石除镁,因此应当控制结 晶温度低于 90 ℃。 2.2 温度对各阶段析出固体质量、K/ Mg 摩尔比、固 体含水率以及固体锂含量的影响 表 2 为不同温度下各阶段析出固体的质量。 从表 2 可以看出,70~120 ℃,在相同温度下,从第 1 阶段到 第 3 阶段析出固体质量逐渐减少;而在相同阶段下,70 ~120 ℃所析出固体量先增大后减少,80 ℃时析出固 体量最多。 这可能与温度过高时所生成的固体含有二 水光卤石有关。 而从每个阶段析出固体质量可以看 出,80 ℃时所析出固体优先在前两段蒸发时析出,而 第3 段蒸发时析出量相对较少,从而减少锂的夹带损失。 表 2 不同温度下各阶段析出固体的质量 温度/ ℃ 固体质量/ g S1S2S3合计 701 177.10697.79308.652 183.54 801 212.94699.70279.332 191.97 901 176.70698.99315.142 190.83 1001 160.91705.04321.082 187.03 1201 129.30717.19332.932 179.42 图 5 为反应温度与各阶段固体 K/ Mg 摩尔比的关 系图。 从图 5 可以看出,在相同温度下,从第 1 段蒸发 到第 3 段蒸发析出固体的 K/ Mg 摩尔比不断增加。 结 合文献[16]中 Li+,K+,Mg 2+ ∥Cl-⁃H2O 四元体系溶度 图和水图,随着水分蒸发体系快速从 KCl 饱和区域进 入到光卤石饱和区域,并随着每段光卤石的析出,溶液 中镁含量逐渐减少而锂含量逐渐提高,KCl 析出区域 变大,造成析出固体中 K/ Mg 摩尔比不断增加;70 ~ 120 ℃之间,第1 段和第2 段蒸发得到固体的 K/ Mg 摩 尔比都是先减少后增大,且 K/ Mg 摩尔比接近光卤石 的 K/ Mg 摩尔比,即 1∶1;第 3 段蒸发时,K/ Mg 摩尔比 随着温度提高先增大后减少,且 K/ Mg 摩尔比偏离光 卤石 K/ Mg 摩尔比,80 ℃时 K/ Mg 摩尔比最大。 这可 能与第 3 阶段中 KCl 析出区域变大有关。 , 2.0 1.5 1.0 0.5 708090100110120 ., 7 6 5 4 3 2 708090100110120 ., 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 708090100110120 .V/4 1,C, 2,C, 3,C, 图 7 反应温度与各阶段固体锂含量的关系 图 8 和图 9 分别是 80 ℃时 3 个阶段蒸发固体的 XRD 图谱和 SEM 图谱。 从图 8 可以看出,从第 1 段到 20103040506070 2 / θ 3,C, 2,C, 1,C, 5/0 图 8 析出固体的 XRD 图谱 图 9 析出固体的 SEM 图 (a) 第 1 段蒸发; (b) 第 2 段蒸发; (c) 第 3 段蒸发 第 3 段蒸发,析出固体中主相为光卤石 KClMgCl2 6H2O,第1 段和第2 段固体中含有少量的 KCl,而第 3 段 中 KCl 相含量较多,这与图 5 中 K/ Mg 摩尔比相对应。 从图 9 可以看出,第 1 阶段析出固体比较细小,且颗粒 团聚,第 2 和第 3 阶段的固体颗粒较大,这与图 6 中析 出固体含水率相对应,颗粒越大含水率越低。 综合以上固体和液体分析结果,以及在 80 ℃下第 3 段蒸发得到固体的 K/ Mg 摩尔比相对较大,下一步 对 80 ℃下第 3 段蒸发进行进一步优化。 2.3 80 ℃时第 3 段不同蒸发率对除镁富集锂的影响 表 3 为第 3 段蒸发在 80 ℃、加入 KCl 理论用量的 15%下不同蒸发率的试验结果。 表 3 80 ℃时第 3 段不同蒸发率下的试验结果 水蒸发率 / % 液体固体 Li/ (gL -1 )Mg/ (gL -1 )Mg/ Li 质量比本段锂回收率/ %锂总回收率/ %锂含量/ %K/ Mg 摩尔比 1043.1029.490.6893.4477.920.231.41 1249.3019.180.3993.4277.900.221.16 1451.2018.450.3690.7675.680.211.14 从表3 可以看出,随着蒸发率提高,滤液中锂浓度不 断增大,镁浓度、镁锂比以及滤液中锂回收率则不断减 少,析出固体的锂含量相差不大,都在0.2%左右,而K/ Mg 摩尔比则不断减少,更加接近光卤石中 K/ Mg 摩尔比。 图 10 为 80 ℃时不同蒸发率下第 3 阶段析出固体 的 XRD 图谱。 从图中可以看出,3 种蒸发率下析出固 体主相均为光卤石 KClMgCl26H2O,仅含有少量的 KCl 杂相;随着蒸发率提高,杂相 KCl 衍射峰逐渐减 弱,这与表 3 中固体的 K/ Mg 摩尔比不断减少相对应。 综合表 3 和图 10,随着第 3 段蒸发率不断提高, 有利于锂的富集和镁的脱除,但当蒸发率超过 12% 时,锂回收率降低较多,因此第 3 段蒸发率应控制在 12%以下。 20103040506070 2 / θ C,510 C,512 C,514 5/0 图 10 不同蒸发率下第三段析出固体的 XRD 图谱 68矿 冶 工 程第 36 卷 3 结 论 1) 通过 3 段添加饱和氯化钾溶液蒸发浓缩卤水, 可生成光卤石除去卤水中的镁并富集锂,从而实现镁 锂分离。 80 ℃,3 段添加 KCl 比例和蒸发率分别为 50%、30%、15%和 7%、10%、10%条件下,锂浓度由原 卤水的 10 g/ L 提高到 43.10 g/ L,镁浓度由原卤水的 100.95 g/ L 降低到 29.49 g/ L,镁锂比由原卤水的 10.1 降低到 0.68,卤水中锂的总回收率达到 77.92%。 2) 在优化条件下,即 80 ℃,3 段添加 KCl 比例和 蒸发率分别为 50%、30%、15%和 7%、10%、12%条件 下,锂浓度由原卤水的 10 g/ L 提高到 49.30 g/ L,镁浓 度由原卤水的 100.95 g/ L 降低到 19.18 g/ L,镁锂比由 原卤水的 10.1 降低到 0.39,卤水中锂的总回收率达到 77.90%。 3) 建议对每段析出固体进行洗涤回收固体夹带 的锂,可进一步提高锂的回收率。 参考文献 [1] 付 烨,钟 辉. 沉淀法分离高镁锂比盐湖卤水的研究现状[J]. 矿产综合利用, 2010(2)30-33. 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