CN110004307B - 一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于盐湖提锂设备领域，具体涉及一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置，包括主通道，主通道上依次设有第一缓冲液管、用于向主通道内通入提取原液的卤水管、富锂溶液腔管、第二缓冲液管，主通道两端分别设有第一出口和第二出口，主通道的内部设有开有若干通道的第一阴离子选择性块和第二阴离子选择性块。本发明利用离子浓差极化效应引起的通道中局部增强的电场实现锂离子富集及锂镁分离，由入口及出口处的压强来驱动溶液流动，通过管道上的开孔收集高浓度的锂溶液。不同于对微米通道的直接并行，本装置通过在离子选择性材料上加工大量微米级通道来实现微通道的大规模并行。

Description

一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置
技术领域
本发明属于盐湖提锂设备领域，具体涉及一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置。
背景技术
锂电池是本世纪三、四十年代才研制开发的优质能源，它以开路电压高，比能量高，工作温度范围宽，放电平衡，自放电子等优点，已被广泛应用于各种领域，是很有前途的动力电池。
我国盐湖数量多、类型全、资源丰富、富含稀有元素，盐湖锂盐储量占我国锂资源总储量的80％以上，占世界盐湖锂总储量的1/3。目前，已探明全球锂储量达1400万吨。我国锂储量为320万吨，仅次于智利位列世界第二。青藏高原是我国盐湖锂资源主产地,自然条件差,开采难度大。目前国内外提锂方法主要有沉淀法、萃取法、蒸发结晶法、吸附法、膜分离法以及电解法等。然而这些方法大都存在仪器溶损、成本高等一系列问题，并且大部分方法只是用于镁锂比较低的卤水。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的缺点和不足，而提供一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置。
本发明所采取的技术方案如下：一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置，包括主通道，所述主通道上依次设有第一缓冲液管、用于向主通道内通入提取原液的卤水管、用于使富锂溶液流出主通道的富锂溶液腔管、第二缓冲液管，所述主通道两端分别设有接近第一缓冲液管的第一出口和接近第二缓冲液管的第二出口，所述主通道的内部设有第一阴离子选择性块和第二阴离子选择性块，所述第一阴离子选择性块和第二阴离子选择性块的壁面外区域分别为第一缓冲液管和第二缓冲液管，所述第一阴离子选择性块内部开有若干连通第一阴离子选择性块两侧的通道，第二阴离子选择性块内部开有若干连通第二阴离子选择性块两侧的通道，所述第一缓冲液管内插入有第一电极V1，其电势为Φ1，第二缓冲液管内插入有第二电极V2，其电势为Φ2，并且Φ2>Φ1，所述第一阴离子选择性块和第二阴离子选择性块具有导电性且只允许阴离子通过，阳离子和水分子不能通过。
第一电极V1、第二电极V2均连接可调节电极电势的直流电源。
在卤水管的卤水入口处施加压强P0，在主通道的第一出口施加流体压力P1，第二出口处压力值P2，在富锂溶液腔管的富锂溶液出口处施加压强P3，通过调节P0、P1、P2、P3的大小来控制通道内部的压强，调节流体流动速度以及锂离子富集位置。
在富锂溶液腔管的富锂溶液出口处施加压强P3，调节导出富锂溶液的流动速度，以保证锂浓度以及镁锂比。
所述主通道的尺寸为1-100μm。
所述第一阴离子选择性块和/或第二阴离子选择性块为由阴离子选择性渗透膜制成。
本发明的有益效果如下：通过本发明进行盐湖提锂时，将卤水(盐湖水)通过卤水管通入主通道内，在第一缓冲溶液管和第二缓冲溶液管中通入缓冲溶液，在第二阴离子选择性块附近，因为第二阴离子选择性块的离子选择性作用，使得只有阴离子能通过，而阳离子和水分子不能通过，在电场E2的作用下，阴离子穿过第二阴离子选择性块离开主通道进入第二缓冲溶液管内，第二阴离子选择性块区域的离子浓度降低，形成离子耗尽区，在离子耗尽区内，电场强度显著增强，对流体中的阳离子产生电场力，由于电场力与水流曳力间的平衡，阳离子在第二阴离子选择性块前富集，由于锂的电泳淌度最小，因此其能在最靠近第二阴离子选择性块前的区域实现富集，然后通过富锂溶液管离开主通道进行收集，其它阳离子如钾离子、镁离子、钠离子富集在第一出口，在第一出口处可被收集，在第二出口处流出的为低盐溶液。通过卤水中天然存在的钠离子，隔开锂镁离子的富集区，使富锂溶液在富锂溶液管处收集，而钾镁钠溶液在第一出口处收集，实现镁锂分离。
进一步地，本发明可以通过控制第一离子选择性块和第二离子选择性块的电势大小来改变跨越离子选择性块电压的大小，以此来控制离子浓差极化效应的强度。
进一步地，本发明可以通过调整在卤水入口、第一出口、第二出口、富锂溶液出口处的压力值，来条件主通道中的水流速度、以及锂离子富集位置。
进一步地，通过调整富锂溶液出口处的压力值，可以调节导出富锂溶液的流动速度，以保证锂浓度以及镁锂比。
进一步地，在第一缓冲溶液管和第二缓冲溶液管上均设有入口和出口，在入口和出口施加压强，使缓冲溶液为流动状态，保证系统稳定运行。在第一缓冲溶液管和第二缓冲溶液管通入的缓冲溶液可以为NaCl、Na2SO4等，第一缓冲溶液管和第二缓冲溶液管中的缓冲溶液可以相同，也可以不同。
本发明的优点是只需要把离子选择性快内的通道的尺寸控制在几微米到百微米之间即可实现提锂功能，而对主通道的直径大小没有限制，因此更有利于在工业上的应用。利用微流控技术实现高镁锂比盐湖卤水提锂，不仅效率高，可行性强，并且并行方法简单不用消耗化学试剂，绿色环保，相较传统的方法而言是一种可靠性高的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1为本发明的立体视图；
图2为本发明的主视图；
图3为本发明的侧视图；
图4为本发明运行示意图；
图中，1，第一出口；2，缓冲溶液入口；3，卤水入口；4，主通道；5，富锂溶液；6，富锂溶液出口；7，第二缓冲液管；8，通道；9，第二出口；10，低盐溶液；11，第二缓冲液；12，富锂溶液管；13，第二阴离子选择性块；14，卤水管；15，第一缓冲液管；16，缓冲溶液出口；17，第一缓冲液；18，第一阴离子选择性块；19，钾镁钠溶液；
第一电极V1，第二电极V2。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
需要说明的是，本发明实施例中所有使用“第一”和“第二”的表述均是为了区分两个相同名称非相同的实体或者非相同的参量，可见“第一”“第二”仅为了表述的方便，不应理解为对本发明实施例的限定，后续实施例对此不再一一说明。
本发明所提到的方向和位置用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」、「内」、「外」、「顶部」、「底部」、「侧面」等，仅是参考附图的方向或位置。因此，使用的方向和位置用语是用以说明及理解本发明，而非对本发明保护范围的限制。
如图1-4所示，一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂装置，包括主通道4，所述主通道4上依次设有第一缓冲液管15、用于向主通道4内通入提取原液的卤水管14、用于使富锂溶液流出主通道4的富锂溶液管12、第二缓冲液管7，所述主通道4两端分别设有接近第一缓冲液管15的第一出口1和接近第二缓冲液管7的第二出口9，所述主通道4的内部设有第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13，所述第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13的壁面外区域分别为第一缓冲液管15和第二缓冲液管7，所述第一阴离子选择性块18内部开有若干连通第一阴离子选择性块18两侧的通道8，第二阴离子选择性块13内部开有若干连通第二阴离子选择性块13两侧的通道8，所述第一缓冲液管15内插入有第一电极V1，其电势为Φ1，第二缓冲液管7内插入有第二电极V2，其电势为Φ2，并且Φ2>Φ1，所述第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13具有导电性且只允许阴离子通过，阳离子和水分子不能通过。
进行盐湖提锂时，将卤水(盐湖水)通过卤水管通入主通道内，在第一缓冲溶液管和第二缓冲溶液管中通入缓冲溶液，在第二阴离子选择性块附近，因为第二阴离子选择性块的离子选择性作用，使得只有阴离子能通过，而阳离子和水分子不能通过，在电场E2的作用下，阴离子穿过第二阴离子选择性块离开主通道进入第二缓冲溶液管内，第二阴离子选择性块区域的离子浓度降低，形成离子耗尽区，在离子耗尽区内，电场强度显著增强，对流体中的阳离子产生电场力，由于电场力与水流曳力间的平衡，阳离子在第二阴离子选择性块前富集，由于锂的电泳淌度最小，因此其能在最靠近第二阴离子选择性块前的区域实现富集，然后通过富锂溶液管离开主通道进行收集，其它阳离子如钾离子、镁离子、钠离子富集在第一出口，在第一出口处可被收集，在第二出口处流出的为低盐溶液。通过卤水中天然存在的钠离子，隔开锂镁离子的富集区，使富锂溶液在富锂溶液管处收集，而钾镁钠溶液在第一出口处收集，实现镁锂分离。
主通道4涉及为圆形管道，如图4所示，第一缓冲液管15、第二缓冲液管7均为一个环形套管上设有两个支管形成的，环形套管套设在主通道4外，主通道4对应设置为开口，两个支管用于缓冲液的进出形成缓冲溶液入口2和缓冲溶液出口16，在主通道4设有环形套管的管内设置圆柱形的第一阴离子选择性块18和圆柱形的第二阴离子选择性块13，第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13将缓冲溶液和主管道内的溶液隔开，通过第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13的阴离子选择性透过功能使主管道内的溶液中阴离子进入缓冲溶液中。第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13上开设的通道为多个并行的沿管道方向开设的微米级通道(孔径为几微米-几百微米，可为规则或不规则)。第一阴离子选择性块18和第二阴离子选择性块13的组成膜材料只允许阴离子通过，不允许阴离子和水分子通过，并且膜材料的导电性良好，以确保每个微米通道8周围电势值差异不大。
卤水管14为一个环形套管上设有一个支管形成的，环形套管套设在主通道4外，主通道4对应设置有若干通孔，供卤水流入主通道4。富锂溶液管为一个环形套管上设有一个支管形成的，环形套管套设在主通道4外，主通道4对应设置有若干通孔，供富锂溶液流出主通道4。
第一电极V1、第二电极V2均连接可调节电极电势的直流电源。第一电极V1和第二电极V2的电势差用于产生覆盖于主通道4的第一场强E1，并以实现跨越离子选择性圆柱块的阴离子选择性渗透膜材料的第二场强E2和第三场强E3的方向是分别从第二缓冲溶液11指向通道内部，和通道内部指向第一缓冲溶液17，使得在离子选择性块18处第一缓冲溶液17中的阴离子得以穿过选择性渗透膜材料到达通道内部，在离子选择性块13处通道内部的阴离子得以穿过选择性渗透膜材料到达缓冲溶液。另外，第一电极V1、第二电极V2均连接可调节电极电势的直流电源，由此可以通过改变Φ1、Φ2的大小以及缓冲溶液的浓度来改变第一场强E1和第二场强E2和第三场强E3的大小。
进一步设置是在通过在卤水入口3处施加压强P0，第一出口1处施加流体压力P1，第二出口9处压力值P2，富锂溶液出口6处施加压强P3，通过调节P0、P1、P2、P3的大小来控制通道内部的压强，调节流体流动速度以及锂离子富集位置；
进一步设置是通过在第一缓冲液管15的缓冲溶液入口2施加压强P4，在其缓冲溶液出口16施加压强P5，同时在第二缓冲液管7的缓冲溶液入口2施加压强P6，在其缓冲溶液出口16施加压强P7，实现第二缓冲溶液11、第一缓冲溶液17的流动，保证系统稳定运行。
进一步设置是第二缓冲溶液11、第一缓冲溶液17的成分可以是NaCl或Na2SO4等，并且两者可以相同也可以不同。
所述主通道4的尺寸为1-100μm。
所述第一阴离子选择性块18和/或第二阴离子选择性块13为由阴离子选择性渗透膜制成。
所述第一缓冲液管15设有入口和出口，第一缓冲液管15内的第一缓冲液17为流动状态。
所述第二缓冲液管7设有入口和出口，第二缓冲液管7内的第二缓冲液11为流动状态。
本发明没有传统盐湖提锂方法的仪器溶损、污染环境等缺点，利用微通道中的离子浓差极化效应实现镁锂分离。由于传统的微通道尺寸较小，即流体的通量很小，因此系统的效率很低。我们通过在圆柱形的选择性渗透膜上打孔来实现并行，即用打满孔的圆柱形选择性渗透膜连接两个通道，来实现系统的并行，大大的提高了系统通道中流体的通量，在很大程度上提高了系统的效率。
该装置通过在离子选择性膜制成的离子选择性圆柱块上打孔来实现并行，并且在孔的加工方面，孔的直径误差在几微米到百微米之间皆可。这种直接在膜上打孔来并行的方法较之以往微流控系统的并行模式，大大的简化了加工难度。在本次设计中主通道直径理论上没有限制，只需保证膜上的直径在百微米量级即可，因此这种简单有效的并行方式也可大大增加流体通量，提高系统的效率。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (7)

1.一种基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：其采用的装置包括主通道（4），所述主通道（4）上依次设有第一缓冲液管（15）、用于向主通道（4）内通入提取原液的卤水管（14）、用于使富锂溶液流出主通道（4）的富锂溶液管（12）、第二缓冲液管（7），所述主通道（4）两端分别设有接近第一缓冲液管（15）的第一出口（1）和接近第二缓冲液管（7）的第二出口（9），所述主通道（4）的内部设有第一阴离子选择性块（18）和第二阴离子选择性块（13），所述第一阴离子选择性块（18）和第二阴离子选择性块（13）的壁面外区域分别为第一缓冲液管（15）和第二缓冲液管（7），所述第一阴离子选择性块（18）内部开有若干连通第一阴离子选择性块（18）两侧的通道（8），第二阴离子选择性块（13）内部开有若干连通第二阴离子选择性块（13）两侧的通道（8），所述第一阴离子选择性块（18）和第二阴离子选择性块（13）具有导电性且只允许阴离子通过，阳离子和水分子不能通过；
其采用的方法如下：在第一缓冲液管（15）内插入有第一电极（V 1），其电势为Φ1，第二缓冲液管（7）内插入有第二电极（V 2），其电势为Φ2，并且Φ2>Φ1；
通过卤水管（14）向主通道（4）内通入提取原液；通过富锂溶液管（12）收集富锂溶液；通过第一出口（1）收集其它阳离子富集液；通过第二出口（9 ）收集低盐溶液；所述其它阳离子富集液中的其它阳离子指代提取原液中除锂以外的其它阳离子；
在卤水管（14）的卤水入口（3）处施加压强P 0，在主通道（4）的第一出口（1）施加流体压力P 1，第二出口（9）处压力值P 2，在富锂溶液腔管（12）的富锂溶液出口（6）处施加压强P 3，通过调节P 0、P 1、P 2、P 3的大小来控制通道内部的压强，调节流体流动速度以及锂离子富集位置。
2.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：第一电极（V 1）、第二电极（V 2）均连接可调节电极电势的直流电源。
3.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：在富锂溶液腔管（12）的富锂溶液出口（6）处施加压强P 3，调节导出富锂溶液（5）的流动速度，以保证锂浓度以及镁锂比。
4.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：所述主通道（4）的尺寸为1-100μm。
5.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：所述第一阴离子选择性块（18）和第二阴离子选择性块（13）为由阴离子选择性渗透膜制成。
6.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：所述第一缓冲液管（15）设有入口和出口，第一缓冲液管（15）内的第一缓冲液（17）为流动状态。
7.根据权利要求1所述的基于离子浓差极化效应的盐湖提锂方法，其特征在于：所述第二缓冲液管（7）设有入口和出口，第二缓冲液管（7）内的第二缓冲液（11）为流动状态。
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