CN110102353A - 一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法 - Google Patents
一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:取偏钛酸制成浆料A,加氢氧化锂得到浆料B;向浆料B加入二氧化钛溶胶和酸溶液,得到浆料C;浆料C过滤、水洗,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成浆料D;将碳酸锂用水打浆制成浆料E,将浆料E分散后得到浆料F;浆料D与浆料F混合得到浆料G;浆料G过滤得到滤饼H与滤液I;滤饼H加热煅烧后,研磨制得前驱体J;前驱体J打浆制成浆料K;浆料K加入酸溶液,熟化过滤。步骤10、重复步骤8和9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.1%~1%,烘干粉碎,制得所述钛系锂离子交换剂。本发明的离子交换剂稳定性好,质量稳定,可大幅降低锂源回收成本。
Description
技术领域
本发明属于无机非金属材料的制备领域,特别涉及一种钛系锂离子交换剂的制备方法。
背景技术
锂及其化合物是国民经济和国防建设的重要战略物资,被广泛应用于玻璃、陶瓷、航空、核能和新能源等众多领域。据美国地质勘探局(United States Geological Survey,简称USGS)20 1 6年1月出版的年报报道,全球探明的陆上锂资源储量以金属锂计约为1400万t,其中盐湖卤水中的储量占70%~80%;而海水中蕴藏的量达2600亿t左右。因此,为了满足可持续发展的需求,各国学者都在积极找寻从盐湖卤水及(浓)海水中提锂的新技术。
传统的提锂技术主要包括沉淀法、盐析法、溶剂萃取法等。因盐湖卤水及(浓)海水的组分复杂,传统的提取方法存在工艺流程复杂、能耗高等不足;而离子交换与吸附法提锂具有选择吸附性好、工艺简单、回收率高等优点,尤其适用于我国高镁锂比的盐湖卤水,已发展成一种极具前景的提锂方法。目前无机锂离子交换剂研究主要集中在锰系和钛系,由于TiO2在酸性介质下具有比MnO2更稳定的化学性质,在酸洗脱过程中溶损率极低,克服了MnO2离子筛溶损大的缺点,为从低锂液态矿锂资源中直接提锂提供了具有极大开发价值的锂分离材料。
常规钛系锂离子交换剂前驱体合成方法有溶胶凝胶法、水热合成法和高温固相法。前两种方法存在工艺复杂,原料昂贵,工艺控制难等问题,不利于产业化。高温固相法,合成方法简单,易于实现量产,通常钛源选用锐钛型或金红石型二氧化钛与锂源混合研磨后高温煅烧,但受锂源在TiO2晶体的扩散速度限制,需要长时间烧结,导致昂贵的锂源需过量20%以上来弥补烧结过程中锂的损失部分,存在锂源消耗高和粒子易烧结的问题。前驱体锂离子洗脱工艺常用流动酸来洗脱,为了降低钛的溶损,酸的浓度通常小于0.2mol/L,造成溶出的锂溶液浓度过低,浓缩需要较高的能耗,并且含有大量的酸,中和需要大量的碱并引入过多的阳离子杂质,增加了锂源回收的成本。上述问题导致钛系锂离子交换剂质量难以控制不易批量生产且成本过高,从而难以推广应用。原有粉末型钛系锂离子交换剂在盐湖提锂过程中对B+、Ca2+、Mg2+、Na+等也有一定的吸附,对后续锂的提纯有一定的影响。
发明内容
本发明为了弥补现有技术的不足,提供了一种利用现有硫酸法钛白粉生产线大规模工业化生产钛系锂离子交换剂的方法,所用钛源为硫酸法生产线上的偏钛酸,可以在低锂源消耗和较短的煅烧时间制得前驱体。本发明中前驱体锂离子洗脱工艺为罐中搅拌加酸脱锂,通过控制罐中浆料H+浓度来防止钛的溶损,溶出的锂富集在溶液中,通过固液分离得到高浓度低酸度的锂液,减少浓缩能耗及废酸中和用碱,从而大幅降低生产成本。
本发明是通过如下技术方案实现的:
一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程中制备的偏钛酸制成浆料A,浆料A中,TiO2浓度为100~300g/L;将浆料A升温至50~70℃,在搅拌状态下加固态氢氧化锂,控制PH值范围7.0~10.0,熟化0.5~3小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入纳米二氧化钛溶胶,加入酸溶液控制PH值范围5.0~7.0,熟化0.5~3小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度100~400g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度300~600g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为1.9~2.1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H送入回转窑中加热煅烧完成脱水、脱硫和晶型转化后,经过粉碎研磨制得前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为100~300g/L;
步骤9、浆料K在反应罐升温至50~70℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值范围1.5~3.5,熟化2~8小时后过滤。
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.1%~1%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂。
步骤1中,所述偏钛酸中的铁含量不高于30mg/kg。所述氢氧化锂为电池级一水氢氧化锂,可以是固态或溶液。
步骤2中,纳米二氧化钛溶胶加入量按二氧化钛质量比为0~20%。优选为5%~20%,更优选为10%~15%。
步骤2中,所述酸溶液中酸为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、草酸中的一种或几种混合。
步骤4中,浆料E砂磨后平均粒径为0.5~2μm。
步骤7中,所述回转窑中加热煅烧时,回转窑的窑尾进料口温度为250~450℃,窑头出料口温度为700~1000℃,物料在回转窑中的停留时间为2~10h。
步骤9中,所用酸溶液中的酸为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、草酸中的一种或几种混合。
有益效果:
本发明技术方案中,所用钛源是以现有硫酸法钛白粉制备工艺生产线上的廉价偏钛酸为原料,用碱性溶解调节其PH值,熟化后加入少量酸性溶液把PH调节至酸性,确保偏钛酸中的吸附硫酸、结合硫酸全部被中和,并保证了偏钛酸水洗后没有钠等杂质残留,解决了偏钛酸在碱性情况下水洗困难的情况,同时保留了偏钛酸与锂源的高反应活性,可在锂源低过量及煅烧温度较低的情况下短时间内反应充分,获得晶型结构完整的Li2TiO3。
本发明技术方案中,创造性地采用液相和液相混合的方式,将碳酸锂提前润湿砂磨至相应粒径后再与浆料进行混合,避免了碳酸锂成团,适合大型生产设备;碳酸锂硬度低,易磨细,只需很低的砂磨强度,不会造成砂磨介质的磨损;在液相中,磨细的碳酸锂颗粒会与偏钛酸颗粒互相吸附,均匀的附着在偏钛酸表面,达到了较佳的混合状态;浆料经过滤,将固体中的水分尽可能减少,降低脱水所需的能耗;滤液也能通过回用,避免锂源的损失及废水的产生。并且避免了常规混合方法高能球磨所带来的能耗,并且对锂源的砂磨处理降低了对锂源形貌的要求,可以使用工业级钛酸锂作为锂源,从而降低了原料成本。
采用回转窑加热煅烧,气氛好,物料处于不断翻动状态,物料在内部循序升温且受热均匀,生产的前驱体的结晶度高,晶格完整,晶体稳定性更好。煅烧时间仅仅需要2~10h,相对于现有技术大幅减少煅烧时间,极大地降低了能耗,并提高了生产效率。煅烧工艺属于连续生产,批量大,活化后制备的离子交换剂稳定性好,质量稳定。
本发明技术方案中,步骤9~10洗脱处理通过控制罐中浆料H+浓度来防止钛的溶损,溶出的锂富集在溶液中,通过固液分离得到高浓度低酸度的锂液,减少浓缩能耗及废酸中和用碱,从而大幅降锂源回收成本。
附图说明
图1为本发明实施例1-4制备的偏钛酸型锂离子交换剂前驱体的XRD谱图。
具体实施方式
下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明,所述是对本发明的解释而不是限定。
本发明所使用的偏钛酸俗称水合二氧化钛,为钛白粉生产工厂经过二洗工序铁含量30mg/kg以下的偏钛酸。因此,本发明进行偏钛酸的计量时,均以TiO2计。
锂离子吸附试验所用卤水为当穹错表层卤水,试验温度为20±2℃,吸附方式为交换剂:卤水=1:200混合搅拌提锂
实施例1
一种粉末型高容量钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程二洗合格偏钛酸用去离子水打浆至TiO2浓度为300g/L,得到浆料A;将浆料A升温至70℃,在搅拌状态下加氢氧化锂控制PH值范围9.5,熟化2小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入按二氧化钛质量比为10%的二氧化钛溶胶,用10%盐酸溶液控制PH值范围5.0,熟化2小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度400g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度500g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为2:1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H将浆料C送入规格为φ150x2000的旋转煅烧窑中脱水、脱硫和煅烧,旋转窑控制参数为窑尾(进料口)温度320℃、窑头(出料口)温度800℃、物料停留时间为5h,出料口的物料研磨后为提锂剂前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为250g/L;
步骤9、浆料K在反应罐升温至70℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值=1.5,熟化5小时后过滤。
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.1%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型钛系锂离子交换剂。
实施例2
一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程二洗合格偏钛酸用去离子水打浆至TiO2浓度为200g/L,得到浆料A;将浆料A升温至65℃,在搅拌状态下加氢氧化锂控制PH值范围8.5,熟化3小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入按二氧化钛质量比为15%的纳米二氧化钛溶胶,用10%硫酸溶液控制PH值范围6.0,熟化3小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度350g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度400g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为2.1:1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H将浆料C送入规格为φ150x2000的旋转煅烧窑中脱水、脱硫和煅烧,旋转窑控制参数为窑尾(进料口)温度350℃、窑头(出料口)温度850℃、物料停留时间为4h,出料口的物料研磨后为提锂剂前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为300g/L;
步骤9、浆料K在反应罐升温至70℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值=2.0,熟化5小时后过滤。
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.2%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型钛系锂离子交换剂。
实施例3
一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程二洗合格偏钛酸用去离子水打浆至TiO2浓度为300g/L,得到浆料A;将浆料A升温至70℃,在搅拌状态下氢氧化锂控制PH值范围8.0,熟化2小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入按二氧化钛质量比为10%的纳米二氧化钛溶胶,用10%草酸溶液控制PH值范围7.0,熟化2小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度400g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度400g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为2:1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H将浆料C送入规格为φ150x2000的旋转煅烧窑中脱水、脱硫和煅烧,旋转窑控制参数为窑尾(进料口)温度300℃、窑头(出料口)温度780℃、物料停留时间为8h,出料口的物料研磨后为提锂剂前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为300g/L;
步骤9、浆料K在反应罐升温至60℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值=2.5,熟化4小时后过滤。
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的1%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型钛系锂离子交换剂。
实施例4
一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程二洗合格偏钛酸用去离子水打浆至TiO2浓度为300g/L,得到浆料A;将浆料A升温至60℃,在搅拌状态下氢氧化锂控制PH值范围8.5,熟化1小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入按二氧化钛质量比为5%的二氧化钛溶胶,用10%盐酸溶液控制PH值5.5,熟化1小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度400g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度450g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为1.9:1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H将浆料C送入规格为φ150x2000的旋转煅烧窑中脱水、脱硫和煅烧,旋转窑控制参数为窑尾(进料口)温度350℃、窑头(出料口)温度900℃、物料停留时间为4h,出料口的物料研磨后为提锂剂前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为300g/L;
步骤9、浆料K在反应罐升温至65℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值=3.0,熟化5小时后过滤。
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.1%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型钛系锂离子交换剂。
表1为本发明实施例1-4制备的偏钛酸型锂离子交换剂在实际卤水中吸附24h前后的元素组成及卤水的元素组成。
表1
本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合,以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。不能以此限定本发明实施的范围,故其等同组件的置换,或依本发明专利保护范围所作的等同变化与修改,皆应仍属本发明权利要求书涵盖之范畴。
Claims (8)
1.一种粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂的制备方法,包括以下步骤:
步骤1、取硫酸法钛白粉生产过程中制备的偏钛酸制成浆料A,浆料A中,TiO2浓度为100~300g/L;将浆料A升温至50~70℃,在搅拌状态下加入氢氧化锂,控制PH值范围7.0~10.0,熟化0.5~3小时,得到浆料B;
步骤2、在搅拌状态下向浆料B中缓慢加入纳米二氧化钛溶胶,再加入酸溶液控制pH值范围5.0~7.0,熟化0.5~3小时,得到浆料C;
步骤3、浆料C过滤、水洗至滤液电导率小于50μS/cm,滤饼加饱和碳酸锂溶液制成TiO2浓度100~400g/L的浆料D;
步骤4、将碳酸锂用水打浆制成浆料E,浆料E中Li2CO3浓度300~600g/L,将浆料E砂磨分散后得到浆料F;
步骤5、浆料D与浆料F按照Li、Ti摩尔比为1.9~2.1的比例混合,搅拌均匀得到浆料G;
步骤6、浆料G过滤得到滤饼H与滤液I,滤液I作为饱和碳酸锂溶液回用;
步骤7、滤饼H送入回转窑中加热煅烧完成脱水、脱硫和晶型转化后,经过粉碎研磨制得前驱体J;
步骤8、前驱体J用蒸馏水打浆制成浆料K,浆料K中TiO2浓度为100~300g/L;
步骤9、浆料K在反应罐中升温至50~70℃,搅拌状态下缓慢加入酸溶液,调节PH值范围1.5~3.5,熟化2~8小时后过滤;
步骤10、重复步骤8、步骤9直至滤饼中Li含量占TiO2含量的0.1%~1%,滤饼烘干粉碎,制得粉末型高容量高选择性钛系锂离子交换剂。
2.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述偏钛酸中的铁含量不高于30mg/kg。
3.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤1中,所述氢氧化锂为电池级一水氢氧化锂,可以是固态或溶液。
4.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤2中,纳米二氧化钛溶胶加入量按二氧化钛质量比为0~20%。
5.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤2中,所述酸溶液中酸为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、草酸中的一种或几种混合。
6.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤4中,浆料E砂磨后平均粒径为0.5~2μm。
7.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤7中,所述回转窑中加热煅烧时,回转窑的窑尾进料口温度为250~450℃,窑头出料口温度为700~1000℃,物料在回转窑中的停留时间为2~10h。
8.根据权利要求1所述的钛系锂离子交换剂的制备方法,其特征在于,步骤9中,所用酸溶液中的酸为盐酸、硝酸、硫酸、磷酸、醋酸、草酸中的一种或几种混合。
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