CN109092242A - 利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，包含如下步骤：（1）将磁性粉体铝基锂吸附剂与待处理卤水混合；（2）控制磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水均匀混合预定时间；（3）将磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水的混合体送入磁选机进行固液分离；（4）在磁选机内利用清洗液对磁性粉体铝基锂吸附剂进行场内沾附卤水快速置换以减少锂的损失；（5）将洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂与解吸液混合进行梯级解吸。本发明提出了磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，吸附剂活性好，再生率高，所得锂解吸液中锂浓度高，有利于后续对锂的富集提纯。

Description

利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法
技术领域
本发明属于从盐湖、海水等中提取锂的领域，尤其涉及一种利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法。
背景技术
卤水及海水中提取锂的方法有很多，总体可以分为吸附法、膜分离法、萃取法、煅烧法等。吸附法针对低含量卤水或海水提锂具有显著优势，例如环境友好、生产成本低、无需预处理等。锂吸附剂是盐湖和海水吸附法提锂的关键材料，吸附剂种类直接决定了其应用工艺。锂吸附剂一般可分为锰系、铝基、钛系等。
铝基吸附剂是多种锂吸附剂中比较特殊的一种，其是所有锂吸附剂中唯一使用水解吸的，而其吸附机理是基于盐浓度差异，使氯化锂在层状氢氧化铝结晶中嵌入(吸附)或洗脱(解吸)。上述吸附机理与锰系、钛系等锂吸附剂有本质区别。锰系、钛系等锂吸附剂是基于氢离子和锂离子在晶格结构中交换进行嵌入和洗脱的，因此其需要利用盐酸、硝酸等进行解吸。而酸对锰、钛化合物形成的晶格有侵蚀或畸化效应，导致吸附剂化学溶损。鉴于铝基锂吸附剂理论上即不存在化学溶损，其提锂的生产成本大幅低于其他类型的锂吸附剂，而铝基锂吸附剂也是目前工业吸附法提锂的唯一选择。
在1990s后，有大量国内外专利和论文报道铝基锂吸附剂活性成分的生产流程，但是无论哪一种工艺制备的铝基锂吸附剂都是是粉体的，其粒径在微米至纳米级。传统的粉体铝基锂吸附剂无法在生产中使用，其主要原因包括：1.粉体铝基吸附剂无法在吸附床中填充，其渗透性极差，卤水和水无法自然通过；2.板框压滤、膜分离、离心等传统固液分离方式无法适用于具有高盐度和高粘度特征的卤水；3.上述传统固液分离方式应用于卤水或海水提锂时，分离设备及作业成本过高，压滤设备极易堵塞，膜分离、工业离心等无法实现彻底的固液分离，因此无法连续生产。
为了克服传统粉体铝基锂吸附剂在应用环节的缺陷，使其可以用于连续工业生产，现有的文献、专利和工业实施过程中，均考虑将粉体铝基锂吸附剂做成粒径0.2mm以上的颗粒。粉体造粒后可大幅提高堆积后的渗透性，进而填充吸附床使用。目前已有大量文献、专利详述粉体铝基锂吸附剂的造粒过程及粒装铝基锂吸附剂。当然，也有少数研究工作将粉体铝基锂吸附剂填充至膜中或其他可固定基质中，进而模拟吸附床运行，其技术原理与造粒是一致的。
粉体吸附剂造粒或制膜过程中，由于需要加入粘合剂、致孔剂等成分，其活性成分有效比表面积大幅降低。一般行业公认的，粉体吸附剂造粒或制膜后，其吸附活性可下降50％以上。另外，颗粒吸附剂是多孔结构，在长期使用过程中结构易破碎，进而导致吸附剂流失，大幅推高了生产成本。目前已实现工业应用的颗粒铝基锂吸附剂的工作吸附活性在2-3mg/g，年损失量在10-20％左右，而粉体铝基锂吸附剂的工作吸附活性一般可达2-7mg/g。
粉体吸附剂与待处理液体混合，其后进行固液分离，利用解吸液洗脱已吸附在吸附剂上的目标物质，经过解吸的吸附剂再次与待处理液体混合进行下一轮吸附，这是行业公知的粉体吸附剂使用方式，目前工业上粉体活性炭、粉体吸附树脂等均是使用上述吸附工艺。固液分离的方式一般使用压滤机、工业离心机等。
铝基锂吸附剂用于卤水提锂与常规吸附过程有较大差异，若使用常规粉体吸附剂常规工艺，即使将粉体吸附剂赋磁，其后利用磁选机进行固液分离，也无法达到卤水提锂的工业目标，其原因如下：1)铝基锂吸附剂解吸困难，经常规粉体吸附解吸工艺运行数个循环后，其工作吸附活性将大幅下降；2)由于铝基吸附剂解吸困难，其解吸液锂浓度低，阻碍后续进一步锂提纯浓缩；3)卤水或海水提锂的同时需要大幅度脱盐，若使用常规粉体吸附解吸工艺，无法实现吸附段提锂脱盐的工艺目标，若根据常识增加洗涤流程，即增加混合、固液分离流程，则会造成大量锂在洗涤过程中流失。
发明内容
针对传统铝基锂吸附剂制备及应用存在的问题，本专利发明人在发明磁性粉体铝基锂吸附剂的基础上，创造性地提出了利用上述锂吸附剂卤水提锂的特殊应用方式。
发明人经大量实验发现，磁性粉体铝基锂吸附剂经2次以上梯度解吸后，其吸附活性再生率可接近100％，经数个循环的梯度解吸后，解吸液中的锂离子浓度可达到0.5g/l以上，进一步增加梯度解吸次数可继续增加解吸液中锂浓度至0.7-1.2g/l。同时，发明人创造性地提出了在磁选机中进行盐分洗涤，经大量实验发现，磁选机中清洗液通过高梯度介质界面流速在5-20cm/s，一方面可大幅降低洗涤过程锂损失量至小于10％，另一方面不至于导致吸附剂流失。本发明人基于上述发现，提出了本专利所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法。
本发明具体是通过如下技术方案实现的：
利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，包含如下步骤：
(1)将磁性粉体铝基锂吸附剂与待处理卤水混合，作为优选，卤水中锂浓度为30-1000ppm时，粉体吸附剂投加量为6-300kg/t；所述磁性粉体铝基锂吸附剂为以微纳米级磁核为晶核，在晶核表面生成氢氧化铝结晶，其后生成磁核@LiX·2Al(OH)3·nH2O，其中X为无机酸根离子，并最终生成的磁性粉体铝基锂吸附剂；如果X为无机酸根离子的阴离子是多价的，那Li要对应的增加数量。
(2)控制磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水均匀混合预定时间，作为优选，所述时间为10-120min；更优地，时间为10-60min；
(3)将磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水的混合液自流或泵送进入磁选机进行固液分离；作为优选，所述送入的方式为自流或泵送，磁选机中填充有高梯度介质，混合体通过高梯度介质截面流速控制在0.1-15cm/s，得到已提锂卤水，排出系统；
(4)在磁选机内利用清洗液对磁性粉体铝基锂吸附剂进行场内沾附卤水快速置换；
(5)将洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂与解吸液混合进行梯级解吸，以增大流出系统解吸液锂浓度，同时提高铝系锂吸附剂的再生效率。
所述步骤(5)中，作用优选，所述梯级解吸具体包含如下步骤：a.利用解吸液n-1将步骤(4)中的洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出磁选机，得到解吸混合液n，n等于梯度解吸的次数，解吸混合液均匀混合的停留时间控制在10-60min，其后自流或泵送进入磁选机再次进行固液分离，解吸混合液通过高梯度介质截面流速控制在3-20cm/s，得到解吸液产品，排出系统；
b.利用解吸液n-2将步骤(a)中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出，得到解吸液n-1混合液，解吸液n-1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到步骤(a)所述的解吸液n-1；
c.利用溶解性总固体含量低于3g/l的水将分离解吸液2混合液过程中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗脱，得到解吸液1混合液，解吸液1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到解吸液1，重复步骤(a)和(b)。
作为优选，所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，其粒径为20nm-500μm，饱和磁化强度≥5emu/g，锂饱和吸附容量为5-10mg/g，工作吸附容量为2-7mg/g。
作为优选，所述氢氧化铝结晶形成的晶格结构矿相包含无定型氢氧化铝、三水铝石、拜耳石和诺耳石中一种或多种。
作为优选，所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，磁核为强磁性矿物，所述强磁性矿物包含四氧化三铁、铁、钴、镍单质及铁酸盐，所述强磁性矿物的粒径范围为5nm-50μm，磁核与氢氧化铝的质量比为3:1-1:20，所述吸附剂中位粒径与磁核粒径的比为3:1-30:1。
更优地，所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，磁核为强磁性矿物，所述强磁性矿物包含四氧化三铁、铁、钴、镍单质及铁酸盐，所述强磁性矿物的粒径范围为5nm-50μm，磁性粉体铝基锂吸附剂，磁核与氢氧化铝的质量比为3:1-1:5，吸附剂的中位粒径与磁核粒径的比为3:1-10:1。
作为优选，所述步骤(3)中，所述磁选机为永磁、电磁、超导磁选机中的一种，磁场区域填充钢毛、钢棍、钢齿等高梯度介质。
作为优选，所述步骤(3)中，与磁性粉体铝基锂吸附剂分离的卤水为已提取锂卤水，可直接排放或进入后续提镁、提硼等工序。
所述步骤(4)中，磁性粉体铝基锂吸附剂被高梯度介质在磁场中捕集，因为吸附剂为磁性粉体铝基锂吸附剂，解吸时不需要用酸溶液进行解吸，故作为优选，所述步骤(4)中使用的清洗液可为利用溶解性总固体含量低于20g/l的水溶液。作为优选，清洗液通过磁选机磁场区域的截面流速为5-20cm/s。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明基于粉体磁性粉体铝基锂吸附剂，利用高梯度磁选机实现吸附剂固液分离，在传统粉体吸附剂应用方式上创造性地提出了磁场内快速洗盐及梯度解吸流程，为了保证上述流程顺利实施，经大量实验确定了吸附剂浓度、磁感应强度、粒度和吸附活性的适用范围。进而产生了如下有益效果：
1)磁性粉体铝基锂吸附剂利用高梯度磁选机进行固液分离过程损失量小于万分之一；
2)在磁选机中实现快速洗盐，锂损失量小于10％；
3)磁性粉体铝基锂吸附剂的吸附活性再生率接近100％；
4)解吸液锂浓度达到0.5g/l以上；
5)针对特定磁性、吸附活性、粒径分布的铝基锂吸附剂，按照特定的吸附剂投加量，磁选机可连续工业生产而不至于发生堵塞，同时，针对特定浓度卤水可实现锂提取率>80％。
附图说明
为了易于说明，本发明由下述的具体实施例及附图作以详细描述。
图1为本发明实施例中3段解吸案例工艺流程。
具体实施方式
利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，包含如下步骤：
(1)将磁性粉体铝基锂吸附剂与待处理卤水混合，卤水中锂浓度为30-1000ppm时，粉体吸附剂投加量为6-300kg/t；所述磁性粉体铝基锂吸附剂为以微纳米级磁核为晶核，在晶核表面生成氢氧化铝结晶，其后生成磁核@LiX·2Al(OH)3·nH2O，其中X为无机酸根离子，并最终生成的磁性粉体铝基锂吸附剂；如果X为无机酸根离子的阴离子是多价的，那Li要对应的增加数量。
(2)控制磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水均匀混合预定时间，时间为10-60min；
(3)将磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水的混合液自流或泵送进入磁选机进行固液分离；磁选机中填充有高梯度介质，混合体通过高梯度介质截面流速控制在0.1-15cm/s，得到已提锂卤水，排出系统；
(4)在磁选机内利用清洗液对磁性粉体铝基锂吸附剂进行场内沾附卤水快速置换，以减少锂的损失；
(5)将洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂与解吸液混合进行梯级解吸，以增大流出系统解吸液锂浓度，同时提高铝系锂吸附剂的再生效率。
所述步骤(5)中，所述梯级解吸具体包含如下步骤：a.利用解吸液n-1将步骤(4)中的洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出磁选机，得到解吸混合液n，n等于梯度解吸的次数，解吸混合液均匀混合的停留时间控制在10-60min，其后自流或泵送进入磁选机再次进行固液分离，解吸混合液通过高梯度介质截面流速控制在3-20cm/s，得到解吸液产品，排出系统；
b.利用解吸液n-2将步骤(a)中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出，得到解吸液n-1混合液，解吸液n-1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到步骤(a)所述的解吸液n-1；
c.利用溶解性总固体含量低于3g/l的水将分离解吸液2混合液过程中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗脱，得到解吸液1混合液，解吸液1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到解吸液1，重复步骤(a)和(b)。
所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，其粒径为20nm-500μm，饱和磁化强度≥5emu/g，锂饱和吸附容量为5-10mg/g，工作吸附容量为2-7mg/g。
所述氢氧化铝结晶形成的晶格结构矿相包含无定型氢氧化铝、三水铝石、拜耳石和诺耳石中一种或多种。
所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，磁核为强磁性矿物，所述强磁性矿物包含四氧化三铁、铁、钴、镍单质及铁酸盐，所述强磁性矿物的粒径范围为5nm-50μm，磁性粉体铝基锂吸附剂，磁核与氢氧化铝的质量比为3:1-1:5，吸附剂的中位粒径与磁核粒径的比为3:1-10:1。
所述步骤(3)中，所述磁选机为永磁、电磁、超导磁选机中的一种，磁场区域填充钢毛、钢棍、钢齿等高梯度介质。
所述步骤(3)中，与磁性粉体铝基锂吸附剂分离的卤水为已提取锂卤水，可直接排放或进入后续提镁、提硼等工序。
所述步骤(4)中使用的清洗液可为利用溶解性总固体含量低于20g/l的水溶液。清洗液通过磁选机磁场区域的截面流速为5-20cm/s。
实施例：
图1为三段梯度解吸流程示意图，针对某锂含量0.3g/l卤水，磁性粉体铝基锂吸附剂平均粒径为70μm，饱和磁感应强度为6emu/g，饱和锂吸附容量为7mg/g。控制上述磁性粉体铝基锂吸附剂在卤水中的投量为70kg/m3，采用混合搅拌桶实现磁性铝基吸附剂与卤水的均匀混合，搅拌速度为200rpm，搅拌停留时间为30min。将达到停留时间的吸附剂与卤水混合液泵送进入超导磁选机实现固液分离，上述混合液通过高梯度介质截面的流速限定在8cm/s，高梯度介质选择圆形钢棍，磁场强度3T。上述磁选过程吸附剂截留效率高于99.99％。其后向超导磁选机中以相对高梯度介质截面流速15cm/s的流速通入总溶解固体含量小于3g/l的洗涤水，该过程可大幅削减磁性粉体铝基锂吸附剂界面沾附盐，包括镁、钠、钾、钙及对应阴离子。同时，该清洗过程仅导致磁性粉体铝基锂吸附剂中5％吸附态锂流失。
3段梯度解吸流程如图1所示：利用解吸液2将步骤超导磁选机中磁性粉体铝基锂吸附剂洗出磁选机，得到解吸混合液3，解吸混合液均匀混合的停留时间控制在30min，其后泵送进入超导磁选机再次进行固液分离，解吸混合液通过高梯度介质截面流速为15cm/s，得到解吸液3，排出系统进入后段生产工艺。利用解吸液1将超导磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出，得到解吸液2混合液，解吸液2混合液均匀混合10-60min后，经过超导磁选机固液分离得到解吸液2；利用溶解性总固体含量低于3g/l的水将分离解吸液2混合液过程中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗脱，得到解吸液1混合液，解吸液1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到解吸液1。经梯度解吸后，磁性粉体铝基锂吸附剂的再生率接近100％，解吸液3中锂浓度达0.6g/l。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。

Claims (11)

1.利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，包含如下步骤：
(1)将磁性粉体铝基锂吸附剂与待处理卤水混合；所述磁性粉体铝基锂吸附剂为以微纳米级磁核为晶核，在晶核表面生成氢氧化铝结晶，其后生成磁核@LiX·2Al(OH)3·nH2O，其中X为无机酸根离子，并最终生成的磁性粉体铝基锂吸附剂；如果X为无机酸根离子的阴离子是多价的，那Li要对应的增加数量；
(2)控制磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水均匀混合预定时间；
(3)将磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水的混合液自流或泵送进入磁选机进行固液分离；
(4)在磁选机内利用清洗液对磁性粉体铝基锂吸附剂进行场内沾附卤水快速置换；
(5)将洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂与解吸液混合进行梯级解吸。
2.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，卤水中锂浓度为30-1000ppm时，磁性粉体铝基锂吸附剂投加量为6-300kg/t。
3.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，其粒径为20nm-500μm，饱和磁化强度≥5emu/g，锂饱和吸附容量为5-10mg/g，工作吸附容量为2-7mg/g。
4.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述磁性粉体铝基锂吸附剂中，磁核为强磁性矿物，所述强磁性矿物包含四氧化三铁、铁、钴、镍单质及铁酸盐，所述强磁性矿物的粒径范围为5nm-50μm，磁核与氢氧化铝的质量比为3:1-1:20，所述吸附剂中位粒径与磁核粒径的比为3:1-30:1。
5.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，磁性粉体铝基锂吸附剂，所述氢氧化铝结晶形成的晶格结构矿相包含无定型氢氧化铝、三水铝石、拜耳石和诺耳石中一种或多种。
6.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，控制磁性粉体铝基锂吸附剂与卤水均匀混合的时间为10-120min。
7.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述磁选机为永磁、电磁、超导磁选机中的一种，磁场区域填充高梯度介质，所述高梯度介质包括钢毛、钢棍、钢齿，混合体通过高梯度介质截面流速控制在0.1-15cm/s，得到已提锂卤水。
8.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，与磁性粉体铝基锂吸附剂分离的卤水为已提取锂卤水，可直接排放或进入后续提镁、提硼等工序。
9.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(4)中使用的清洗液为溶解性总固体含量低于20g/l的水溶液。
10.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(4)中，清洗液通过磁选机磁场区域的截面流速控制为5-20cm/s。
11.根据权利要求1所述的利用磁性粉体铝基锂吸附剂从卤水中提取锂的方法，其特征在于，所述步骤(5)中，所述梯级解吸具体包含如下步骤：a.利用解吸液n-1将步骤(4)中的洗涤脱镁的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出磁选机，得到解吸混合液n，n等于梯度解吸的次数，解吸混合液均匀混合的停留时间控制在10-60min，其后自流或泵送进入磁选机再次进行固液分离，解吸混合液通过高梯度介质截面流速控制在3-20cm/s，得到解吸液产品，排出系统；
b.利用解吸液n-2将步骤(a)中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗出，得到解吸液n-1混合液，解吸液n-1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到步骤(a)所述的解吸液n-1；
c.利用溶解性总固体含量低于3g/l的水将分离解吸液2混合液过程中磁选机内的磁性粉体铝基锂吸附剂洗脱，得到解吸液1混合液，解吸液1混合液均匀混合10-60min后，经过磁选机固液分离得到解吸液1，重复步骤(a)和(b)。
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