CN110643831A - 一种无隔膜电化学提锂系统及其提锂方法 - Google Patents

一种无隔膜电化学提锂系统及其提锂方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种无隔膜的连续式电化学提锂系统及其提锂方法。该系统主要由电解槽、洗涤槽、电源、一系列吸脱锂电极和电子平衡电极组成。其中，电解槽被一系列隔板分割成位置依次交替的原料池和回收池组成，不同原料池和回收池间分别通过连接管串联。在原料池和回收池中分别通入待提锂原料和回收液，通过电极在原料池和回收池间的切换，实现锂从原料中分离并在回收液中富集。该系统易于对电解槽级数进行增减，或对电极位置交换频率进行控制，从而满足不同含锂溶液的提锂需求。该系统在提锂过程中原料和回收液回路相互独立且连续运行，因而可实现连续的电化学提锂。此外，由于提锂过程中仅涉及电极的规律性移动，因而易于实现自动化操作。

Description

一种无隔膜电化学提锂系统及其提锂方法
技术领域
本发明属于无机化工领域，涉及元素的分离提取，尤其是一种无隔膜连续式电化学提锂系统及其提锂方法。
背景技术
全球已查明锂资源量近4000万t，其中卤水(包括盐湖卤水、地下卤水、浓海水等)中储量约占总储量的70％。由于有限的优质固体矿资源的无节制开采，以及卤水提锂的成本和规模优势，使得对卤水锂资源的开发利用成为必然趋势。
基于锂离子电池原理，利用电化学离子泵技术提取复杂卤水中的锂成为当前研究最前沿的技术。电化学提锂具有绿色、高效等优点。然而，目前针对电化学提锂系统及提锂方法的研究相对较少。专利CN201120232514.1公开了一种基于阴离子选择性膜的盐湖卤水镁锂分离及富集装置，然而该装置仅由一张阴离子膜分隔的两个电渗析槽构成，其结构和功能简单，锂的分离提取效率较低。专利CN201620161810.X公开了一种采用多个基本单元电解槽串联组成的电化学回收锂装置。然而该装置提锂过程中，锂的吸附和解析独立且分步交替进行，因而不能实现连续的提锂操作。尽管专利CN201811172404.3公开了一种连续式电化学元素提取系统，但该提锂体系采用阴离子交换膜，且每次仅有一个电极从提取槽转入回收槽，因而锂的提取效率较低且能耗较高。
为实现连续稳定的电化学提锂要求，以及适用于不同浓度的含锂溶液电化学提锂，需要开发一种结构及操作简单，且易于实现自动化的连续式电化学提锂系统。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种连续稳定的电化学提锂系统及其提锂方法，实现从不同锂浓度溶液中绿色、连续、高效地回收锂。
本发明解决技术问题所采用的技术方案是：
一种无隔膜电化学提锂系统，包括电解槽、电源，在电解槽内平行间隔安装多个隔板，隔板将电解槽分隔为多个原料池和多个回收池，原料池与回收池交替排布，多个原料池之间通过连接管串联，多个回收池之间通过连接管串联，在每一原料池均安装一吸锂电极和一失电子平衡电极，吸锂电极与电源负极相连，失电子平衡电极与电源正极相连；在每一回收池均安装一脱锂电极和一得电子平衡电极，脱锂电极与电源正极相连，得电子平衡电极与电源负极相连，各电极通过电极移动装置移动。
而且，紧邻电解槽设置一洗涤槽，在洗涤槽内平行间隔安装多个隔板，多个隔板将洗涤槽分隔为多个交替排列的原料池电极洗涤池和多个回收池电极洗涤池，多个原料池电极洗涤池通过连通管串联，多个回收池电极洗涤池通过连通管串联，电解槽的原料池与洗涤槽的原料池电极洗涤池相邻且一一对应，而电解槽的回收池与洗涤槽的回收池电极洗涤池相邻且一一对应。
采用上述连续式离子泵提锂系统的提锂方法为：先接通电源，原料池中锂被吸附于吸附锂电极，而回收池中脱附锂电极上的锂脱附进入回收液；一定时间后，关闭电源并分别将原料池和回收池中电极移入相邻的洗涤池中进行洗涤；洗涤完成后，将相邻原料池和回收池中的电极进行交换，并重新接通电源；通过失电子平衡电极和得电子平衡电极的电子平衡作用，已在回收池中完成脱锂后的电极在原料池中重新开始吸附锂，而已在原料池中吸附锂后的电极在回收池中重新脱附锂；通过原料池和回收池中电极位置的不断往复变化，将原料池中的锂不断转移并富集于回收池中的回收液中。
也可以在电解槽的两端设置两个洗涤池，左侧为原料池电极洗涤池，右侧为回收池电极洗涤池。
该连续式无隔膜电化学提锂系统的提锂方法为：先接通电源，原料池中锂被吸附于吸附锂电极，而回收池中脱附锂电极上的锂脱附进入回收液；一定时间后，关闭电源。将电解槽最左侧第一个原料池中的两个电极移入到原料池电极洗涤池中进行洗涤，洗涤完成后移入最左侧第一个回收池中，其他回收池中电极分别向右移入相邻的回收池中，将最右侧第一个回收池中两个电极移入到回收池电极洗涤池中进行洗涤，洗涤完成后移入最右侧第一个原料池中，其他原料池中电极分别向左移入相邻的原料池中；完成上述电极移动后，重新接入电源，原料池中的锂继续吸附于吸附锂电极，而回收池中的电极继续脱附锂于回收液中，通过上述电极的不断循环运动，将原料中的锂不断转移并富集于回收池的回收液中。
而且，根据原料中锂浓度的不同，通过增减电解槽的原料池和回收池串联级数或改变电极交换频率以提高锂的提取率，并通过改变原料和回收液流速相对大小提高锂在回收液中的富集倍数。
本发明的优点和积极效果是：
1、本系统与现有技术相比，实现了锂的连续、高效地分离和富集，并可通过对原料和回收液流速大小的调节，实现锂的高倍浓缩。
2、本系统电解槽采用串联方式连接，易于根据不同含锂浓度原料提锂需求，对电解槽级数进行增减，或可通过对电极交换频率的控制，从而满足对不同锂浓度原料中锂的分离提取需求。
3、本系统结构及操作简单，在锂分离提取过程中，仅涉及电极有规律的移动，因而易于实现自动化操作。
附图说明
图1为本发明实施例1中电极往复式无隔膜提锂系统俯视图。
图2为本发明实施例1中电极往复式无隔膜提锂系统正视图。
图3为本发明实施例1中电极往复式无隔膜提锂系统侧视图。
图4为本发明实施例1中提锂过程中电极运动方向示意图。
图5为本发明实施例2中电极循环式无隔膜提锂系统俯视图。
图6为本发明实施例2中电极循环式无隔膜提锂系统正视图。
图7为本发明实施例2中电极循环式无隔膜提锂系统侧视图。
图8为本发明实施例2中提锂过程中电极运动方向示意图。
图中标号说明：1.回收液进口；2.电解槽；3.回收池；4.原料池；5.原料进口；6.原料池电极洗涤液进口；7.洗涤槽；8.回收池电极洗涤池；9.原料池电极洗涤池；10.回收池电极洗涤液进口；11.电源；12.回收液出口；13.吸锂电极；13'.脱锂电极；14.隔板；15.失电子平衡电极；15'.得电子平衡电极；16.原料出口；17.原料池电极洗涤液出口；18.槽底部连接管；19.回收池电极洗涤液出口；20.槽侧面连接管。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施例对本发明作进一步详述，以下实施例只是描述性的，不是限定性的，不能以此限定本发明的保护范围。
实施例1
一种电极往复式无隔膜提锂系统，可实现八级提取，见图1～3，该系统包括电解槽2、洗涤槽7、电源11和多个吸锂电极13、多个脱锂电极13'、多个失电子平衡电极15、多个得电子平衡电极15'。电解槽与洗涤槽并排设置。在电解槽内平行间隔安装多个隔板14，隔板将电解槽分隔为多个原料池4和多个回收池3，原料池与回收池交替排布，多个原料池之间通过连接管串联，多个回收池之间通过连接管串联。在每一原料池均安装一吸锂电极和一失电子平衡电极，吸锂电极与电源负极相连，失电子平衡电极与电源正极相连；在每一回收池均安装一脱锂电极和一得电子平衡电极，脱锂电极与电源正极相连，得电子平衡电极与电源负极相连。
在洗涤槽内平行间隔安装多个隔板，多个隔板将洗涤槽分隔为多个交替排列的原料池电极洗涤池9和多个回收池电极洗涤池8，多个原料池电极洗涤池通过连通管串联，多个回收池电极洗涤池通过连通管串联。其中，电解槽的原料池与洗涤槽的原料池电极洗涤池相邻且一一对应，而电解槽的回收池与洗涤槽的回收池电极洗涤池相邻且一一对应。
所述的多个吸锂电极、多个脱锂电极、多个失电子平衡电极、多个得电子平衡电极连接往复式提锂设备，往复式提锂设备通过程序设定使电极在电解槽与洗涤槽之间往复运动。
通过电解槽的原料进口5向原料池通入待提取锂溶液，通过回收液进口1向回收池通入回收液(如100mg/LK+溶液)。通过控制原料和回收液流量相对大小，实现回收液中不同的锂富集倍数。此外，通过洗涤槽的原料池电极洗涤液进口6向原料池电极洗涤池通入原料池电极洗涤液，通过回收池电极洗涤液进口10向回收池电极洗涤池通入回收池电极洗涤液。其中，原料池电极洗涤液经过原料池电极洗涤液出口17直接排废，而回收池电极洗涤液经回收池电极洗涤液出口19流出洗涤槽，并收集后可用于配制回收液。
接通电源，原料池中吸附锂电极(如FePO4)在电能作用下吸附锂(FePO4+Li++e→LiFePO4)，而失电子平衡电极(如K2NiFe(CN)6)失去电子(K2NiFe(CN)6-e→K++KNiFe(CN)6)，从而保证原料池中电化学反应的发生。在回收池中，脱附电极(如LiFePO4)在电能作用下脱附锂(LiFePO4-e→Li++FePO4)，而得电子平衡电极(如KNiFe(CN)6)得到电子(KNiFe(CN)6+K++e→K2NiFe(CN)6)，从而保证回收池中电化学反应的发生。一定时间后，关闭电源，并分别将原料池和回收池中电极置于相邻的原料池电极洗涤池和回收池电极洗涤池中洗涤。洗涤完成后，交换相邻原料池和回收池中的电极，电极运动方向及交换后电极位置如图4所示。
电极位置交换完成后，重新接通电源，开始下一个吸附/脱附过程。随着原料在原料池中流动和电极位置的不断交换，原料中的锂被不断转移进入回收液中，从而实现锂的分离。而通过调节原料和回收液相对流速大小，实现锂在回收液中的富集。根据原料中锂含量大小，通过调节电极交换频率或改变电解槽级数实现锂的充分回收。
实施例2
一种电极循环式无隔膜提锂系统，可实现八级锂的提取，该装置和实施例1中装置的主要区别在于没有洗涤槽，而是在电解槽的两端设置两个洗涤池，原料池电极洗涤池洗涤原料池中的电极，回收池电极洗涤池洗涤回收池中的电极。
所述的多个吸锂电极、多个脱锂电极、多个失电子平衡电极、多个得电子平衡电极连接循环式提锂设备，循环式提锂设备通过程序设定使电极在电解槽与洗涤池之间往复运动。
具体的电极循环运动方式为：如图5所示，完成锂在原料池中吸附和在回收池中脱附后，将最左侧第一个原料池两个电极(a1和b1)移入原料池电极洗涤池洗涤，然后移入最左侧第一个回收池(即原a'1和b'1电极所在回收池)进行脱锂。而最右侧第一个回收池中两个电极电极(a'8和b'8)移入回收池电极洗涤池洗涤，然后移入最右侧第一个原料池(即原a8和b8电极所在原料池)进行吸锂。其它电极移动方向为，其他回收池中电极分别向右移入相邻的回收池中，而其他原料池中电极分别向左移入相邻的原料池中。电极移动方向和移动后的位置如图8所示。最左侧电极在由原料池移入回收池过程中，实现将锂由原料池转移入回收池中。
应当理解，以上借助优选实施例对本发明的技术方案进行的详细说明是示意性而非限制性的。本领域技术人员在阅读本发明说明书的基础上，可以对各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进。例如，针对高浓度锂的回收，在实施例1中，可以将图1中洗涤槽去掉，在提取过程中无需对电极进行洗涤。这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护的范围由所附的权利要求书以及等效物界定。

Claims (6)

1.一种无隔膜电化学提锂系统，包括电解槽、电源，其特征在于：在电解槽内平行间隔安装多个隔板，隔板将电解槽分隔为多个原料池和多个回收池，原料池与回收池交替排布，多个原料池之间通过连接管串联，多个回收池之间通过连接管串联，在每一原料池均安装一吸锂电极和一失电子平衡电极，吸锂电极与电源负极相连，失电子平衡电极与电源正极相连；在每一回收池均安装一脱锂电极和一得电子平衡电极，脱锂电极与电源正极相连，得电子平衡电极与电源负极相连，各电极通过电极移动装置移动。
2.根据权利要求1所述的无隔膜电化学提锂系统，其特征在于：紧邻电解槽设置一洗涤槽，在洗涤槽内平行间隔安装多个隔板，多个隔板将洗涤槽分隔为多个交替排列的原料池电极洗涤池和多个回收池电极洗涤池，多个原料池电极洗涤池通过连通管串联，多个回收池电极洗涤池通过连通管串联，电解槽的原料池与洗涤槽的原料池电极洗涤池相邻且一一对应，而电解槽的回收池与洗涤槽的回收池电极洗涤池相邻且一一对应。
3.根据权利要求2所述的无隔膜电化学提锂系统的提锂方法，其特征在于：先接通电源，原料池中锂被吸附于吸附锂电极，而回收池中脱附锂电极上的锂脱附进入回收液；一定时间后，关闭电源并分别将原料池和回收池中电极移入相邻的洗涤池中进行洗涤；洗涤完成后，将相邻原料池和回收池中的电极进行交换，并重新接通电源；通过失电子平衡电极和得电子平衡电极的电子平衡作用，已在回收池中完成脱锂后的电极在原料池中重新开始吸附锂，而已在原料池中吸附锂后的电极在回收池中重新脱附锂；通过原料池和回收池中电极位置的不断往复变化，将原料池中的锂不断转移并富集于回收池中的回收液中。
4.根据权利要求1所述的无隔膜电化学提锂系统，其特征在于：在电解槽的两端设置两个洗涤池，左侧为原料池电极洗涤池，右侧为回收池电极洗涤池。
5.根据权利要求4所述的无隔膜电化学提锂系统的提锂方法，其特征在于：先接通电源，原料池中锂被吸附于吸附锂电极，而回收池中脱附锂电极上的锂脱附进入回收液；一定时间后，关闭电源。将电解槽最左侧第一个原料池中的两个电极移入到原料池电极洗涤池中进行洗涤，洗涤完成后移入最左侧第一个回收池中，其他回收池中电极分别向右移入相邻的回收池中，将最右侧第一个回收池中两个电极移入到回收池电极洗涤池中进行洗涤，洗涤完成后移入最右侧第一个原料池中，其他原料池中电极分别向左移入相邻的原料池中；完成上述电极移动后，重新接入电源，原料池中的锂继续吸附于吸附锂电极，而回收池中的电极继续脱附锂于回收液中，通过上述电极的不断循环运动，将原料中的锂不断转移并富集于回收池的回收液中。
6.根据权利要求3或5所述的提锂方法，其特征在于：根据原料中锂浓度的不同，通过增减电解槽的原料池和回收池串联级数或改变电极交换频率以提高锂的提取率，并通过改变原料和回收液流速相对大小提高锂在回收液中的富集倍数。
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SE01 Entry into force of request for substantive examination
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GR01 Patent grant
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