CN114573171B - 一种盐湖提锂智能节能系统设备 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及盐湖提锂的领域，具体公开了一种盐湖提锂智能节能系统设备，包括顺次连通的原水箱、电磁阀、水泵、预处理系统、高压纳滤膜分离系统、反渗透膜浓缩系统、太阳能高效蒸发器及浓水箱，高压纳滤膜分离系统包括纳滤膜增压泵和纳滤膜过滤器，反渗透膜浓缩系统包括反渗透膜增压泵和反渗透膜过滤器，纳滤膜过滤器包括纳滤膜，纳滤膜包括皮层和支撑层，支撑层为无机材料或/和有机聚合材料。本申请具有提高富集的锂离子的纯度以及降低能耗的效果。
Description
技术领域
本申请涉及盐湖提锂的领域，更具体地说，它涉及一种盐湖提锂智能节能系统设备。
背景技术
锂广泛应用于电池、陶瓷、玻璃、润滑剂、制冷液、核工业以及光电等行业。随着电脑、数码相机、手机、移动电动工具等电子产品的不断发展，电池行业已经成为锂最大的消费领域。近年来，锂在电池领域的应用增长最快，已经从1997年的7%上升到2013年的35%，现在，随着电动汽车技术的不断成熟，锂电池也将被广泛应用到汽车行业，对锂的需求进一步增长。
目前，盐湖卤水是锂资源开发的主要途径之一。从卤水中提取锂的主要方法包括：沉淀法、吸附法、萃取法、膜法等。然而，现有提锂工艺均存在富集的锂离子的纯度低的问题，并且，在盐湖提锂的过程中能耗大，使得生产成本较高，不利于盐湖提锂的产业化。因此，还有改进的空间。
发明内容
为了提高富集的锂离子的纯度以及降低能耗，本申请提供一种盐湖提锂智能节能系统设备。
第一方面，本申请提供一种盐湖提锂智能节能系统设备，采用如下的技术方案：
一种盐湖提锂智能节能系统设备，包括顺次连通的原水箱、电磁阀、水泵、预处理系统、高压纳滤膜分离系统、反渗透膜浓缩系统、太阳能高效蒸发器及浓水箱，所述高压纳滤膜分离系统包括纳滤膜增压泵和纳滤膜过滤器，所述反渗透膜浓缩系统包括反渗透膜增压泵和反渗透膜过滤器，所述纳滤膜过滤器的一端设有第一进水口，所述纳滤膜过滤器的另一端设有第一净水口和第一浓水口，所述反渗透膜过滤器的一端设有第二进水口，所述反渗透膜过滤器的另一端设有第二净水口和第二浓水口，所述第一净水口与反渗透膜增压泵相连，所述第一浓水口与排水沟相连，所述第二净水口回流至水泵，所述纳滤膜过滤器包括纳滤膜，所述纳滤膜包括皮层和支撑层，所述皮层位于靠近第一进水口的一侧，所述支撑层位于远离第一进水口的一侧，所述支撑层为无机材料或/和有机聚合材料。
通过采用上述技术方案，当提锂时，打开电磁阀、水泵、纳滤膜增压泵以及反渗透膜增压泵，盐湖卤水通过水泵进入预处理系统，将盐湖卤水过滤去除杂质，然后进入高选择性的高压纳滤膜分离系统，纳滤膜过滤器将钙镁离子去除，并且钠离子被阻挡，使得钠离子不能通过纳滤膜，然后钙镁离子以及钠离子从纳滤膜过滤器的第一浓水口随浓水排入排水沟；由于皮层是具有分离功能的，支撑层对皮层起到支撑作用，并且，纳滤膜的支撑层采用特定的材料制备而成，使得皮层在高压的作用下不容易发生破裂的现象，以此使得锂离子与钙镁离子的分离不容易受到影响，同时，还使得纳滤膜对钙镁离子的截留率提高，进而使得锂离子的浓度进一步提高；由于锂离子的浓度远大于钠离子浓度的净水，锂离子便通过纳滤膜过滤器第一净水口进入反渗透膜浓缩系统进行浓缩，得到含有锂离子的浓缩液，然后浓缩液经太阳能高效蒸发器蒸发掉水分，将浓缩液进一步浓缩，最后得到锂溶液被收集至浓水箱，此时的锂离子的浓缩倍数大大提高。本申请的盐湖提锂智能节能系统设备设计合理，不仅使得富集的锂离子纯度提高，还使得锂离子的浓缩效率提高，并且，利用太阳能高效蒸发器，有利于降低能耗，有利于盐湖卤水提锂的自动化和产业化。
优选的，所述皮层包括以下重量份的原料制成：
聚砜16-29份；聚偏氟乙烯11-19份；单宁酸10-21份；溶剂55-74份；致孔剂2-8份。
通过采用上述技术方案，皮层采用聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸互相协同配合，使得纳滤膜具有很好的亲水性，有利于提高纳滤膜的水通量，还使得纳滤膜具有很好的耐压性能，进而使得纳滤膜不容易出现由于受到高压导致破裂的现象，以此使得纳滤膜的离子脱除率提高，从而使得锂离子的浓度得到进一步提高。
优选的，所述皮层还包括以下重量份的原料制成：
聚醚胺7-12份；竹纤维5-29份。
通过采用上述技术方案，采用聚醚胺和竹纤维互相配合，有利于促进聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸互相协同配合，使得纳滤膜的离子脱除率提高，进而使得纳滤膜对钙镁离子的截留率提高，并且，聚醚胺与竹纤维互相缠绕结合形成均匀且稳定的三维网络结构，进而使得纳滤膜的耐压性能提高，还使得纳滤膜的离子脱除率提高，以此使得锂离子的浓度得到提高。同时，聚醚胺中的聚乙二醇链段可以减少蛋白质的粘附，并且，竹纤维具有很好的抗菌性能，采用聚醚胺与竹纤维互相配合，还使得纳滤膜的抗污染性能提高，以此使得纳滤膜不容易出现被污染物和细菌堵塞的现象。
优选的，所述聚醚胺与竹纤维以重量比为1:1-2混合而成。
通过采用上述技术方案，采用特定比例混合得到的聚醚胺与竹纤维，有利于提高纳滤膜的离子脱除率，还使得纳滤膜的耐压性能得到进一步提高，由此使得纳滤膜对钙镁离子的截留不容易受到影响。
优选的，所述无机材料为玻璃纤维、碳纤维、氧化铝丝以及氧化锆丝中的一种或多种，所述有机聚合材料为聚氯乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩甲醛以及聚氨基甲酸酯中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，支撑层采用上述无机材料和有机聚合材料互相配合，有利于提高纳滤膜的水通量，使得纳滤膜更好地将钙镁离子截流下来，进而使得盐湖卤水中的锂离子的浓度得到提高。
优选的，所述支撑层由玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛以重量比为1.2-2:1混合而成。
通过采用上述技术方案，采用特定比例混合得到的玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛互相配合，使得纳滤膜的水通量提高，并且，还使得纳滤膜对钙镁离子的截留率提高，由此使得锂离子的浓度进一步提高，从而使得盐湖卤水提锂的效率提高。
优选的，所述致孔剂为硝酸锂、氯化钠、氯化钙、碳酸钙、硝酸钙、二氧化碳、三氧化二铝、高岭土、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇及羟甲基纤维素中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，采用上述特定的物质作为纳滤膜的致孔剂，使得纳滤膜的化学稳定性提高，能有效地控制膜孔径的尺寸和孔的分布，增加孔的密度，从而提高纳滤膜的渗透性，以此改善纳滤膜表面的亲水性，使得纳滤膜具有良好的生物相容性。
优选的，所述致孔剂由羟甲基纤维素和高岭土以重量比1:1-2混合而成。
通过采用上述技术方案，采用特定比例混合得到的甲基纤维素和高岭土，不仅有利于提高纳滤膜的渗透性，还使得纳滤膜的耐压性能提高，以此使得纳滤膜不容易出现由于受到高压而破裂的现象，从而使得纳滤膜对钙镁离子的截留率不容易受到影响。
优选的，所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺、N- 甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯、环丁砜及二甲基亚砜中的一种或多种。
通过采用上述技术方案，采用上述物质中的一种或多种作为溶剂，有利于提高皮层中各原料之间的相容性，使得各原料之间分散地更加均匀，从而使得纳滤膜的厚度更加均匀，不容易出现纳滤膜的厚度不一的现象，进而使得纳滤膜对钙镁离子的截留不容易受到影响。
第二方面，本申请还提供一种纳滤膜的制备方法，采用如下的技术方案：
一种纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备支撑层：将无机材料或/和有机聚合材料混合均匀，然后挤出成型，即得支撑层；
（2）制备皮层：将聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸混合均匀，得到混合料，然后在混合料中加入溶剂和致孔剂，混合均匀，再将混合后的物料熔融挤出通过喷丝板，纺织成纳滤膜皮层；
（3）制备纳滤膜：通过界面聚合将皮层涂覆于支撑层以得到纳滤膜。
通过采用上述技术方案，采用上述方法制备得到的纳滤膜，使得纳滤膜具有均匀的纳米孔径结构，进而使得纳滤膜的离子脱除率提高，从而使得纳滤膜对钙镁离子的截留率提高，由此使得锂离子的浓度得到进一步提高，有利于提高盐湖提锂的效率。同时，采用上述方法制备得到纳滤膜，操作简单方便，有利于工业化生产。
综上所述，本申请包括以下至少一种有益技术效果：
1.采用本申请的盐湖提锂智能节能系统设备，设计合理，锂离子浓缩效率高，富集的锂离子纯度高，并且，利用太阳能高效蒸发器，有利于降低能耗，有利于盐湖卤水提锂的自动化和产业化。同时，纳滤膜的支撑层采用特定材料制成，使得纳滤膜不容易发生破裂，进而使得锂离子的浓缩不容易受到影响。
2.皮层采用聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸互相协同配合，有利于提高纳滤膜的亲水性，并且，还使得纳滤膜的耐压性能提高，进而使得纳滤膜不容易出现由于高压而发生破裂的情况，从而使得纳滤膜对钙镁离子的截留率不容易受到影响。
3.采用聚醚胺和竹纤维互相配合，有利于促进聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸互相协同配合，使得纳滤膜的离子脱除率提高，进而使得纳滤膜对钙镁离子的截留率提高，并且，还使得纳滤膜的抗污染性能提高，以此使得纳滤膜不容易出现被污染物和细菌堵塞的现象。
附图说明
图1是本申请一种盐湖提锂智能节能系统设备的流程示意图。
图中：1、原水箱；2、电磁阀；3、水泵；4、预处理系统；5、高压纳滤膜分离系统；51、纳滤膜增压泵；52、纳滤膜过滤器；521、第一进水口；522、第一净水口；523、第一浓水口；6、反渗透膜浓缩系统；61、反渗透膜增压泵；62、反渗透膜过滤器；621、第二进水口；622、第二净水口；623、第二浓水口；7、太阳能高效蒸发器；8、浓水箱。
具体实施方式
以下结合实施例对本申请作进一步详细说明。
以下实施例以及对比例中所采用的原料物质来源如表1所示。
表1
实施例1
参照图1，一种盐湖提锂智能节能系统设备，包括依次连通的原水箱1、电磁阀2、水泵3、预处理系统4、高压纳滤膜分离系统5、反渗透膜浓缩系统6、太阳能高效蒸发器7及浓水箱8，高压纳滤膜分离系统5包括纳滤膜增压泵51和纳滤膜过滤器52，反渗透膜浓缩系统6包括反渗透膜增压泵61和反渗透膜过滤器62，纳滤膜过滤器52的一端设有第一进水口521，纳滤膜过滤器52的远离第一进水口521的一端设有第一净水口522和第一浓水口523，反渗透膜过滤器62的一端设有第二进水口621，反渗透膜过滤器62的远离第二进水口621的一端设有第二净水口622和第二浓水口623，第一净水口522与反渗透膜增压泵61相连，第一浓水口523与排水沟相连，第二净水口622回流至水泵3。
采用盐湖提锂智能节能系统设备的提锂方法为：首先打开电磁阀2和水泵3，盐湖卤水通过水泵3进入预处理系统4，将盐湖卤水过滤去除杂质，然后打开纳滤膜增压泵51，溶液进入高选择性的高压纳滤膜分离系统5，纳滤膜过滤器52将钙镁离子以及钠离子去除，然后钙镁离子以及钠离子从纳滤膜过滤器52的第一浓水口523随浓水排入排水沟；然后打开反渗透膜增压泵61，由于锂离子的浓度远大于钠离子浓度的净水，使得锂离子从纳滤膜过滤器52第一净水口522进入反渗透膜浓缩系统6进行浓缩，得到含有锂离子的浓缩液；然后浓缩液经太阳能高效蒸发器7蒸发掉水分，将浓缩液进一步浓缩；最后得到锂溶液被收集至浓水箱8，此时的锂离子的浓缩倍数大大提高。
为了使得锂离子的浓度得到进一步提高，本申请还提供一种纳滤膜，纳滤膜过滤器52包括纳滤膜，纳滤膜包括皮层和支撑层，皮层位于靠近第一进水口521的一侧，支撑层位于远离第一进水口521的一侧，支撑层为无机材料和有机聚合材料。在本实施例中，支撑层为聚丙烯氰，皮层为磺化聚醚砜。
实施例2
与实施例1的区别在于：纳滤膜的皮层不同，具体不同之处如下：
纳滤膜的皮层包括以下重量的原料制成：
聚砜16kg；聚偏氟乙烯19kg；单宁酸18kg；溶剂55kg；致孔剂8kg。
本实施例中溶剂为二甲亚砜，致孔剂为聚乙二醇。
本实施例还提供一种纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备支撑层：将无机材料和有机聚合材料分别加入搅拌机中，以100r/min的转速搅拌均匀，然后通过挤出机挤出成型，即得支撑层；本实施例中，无机材料采用碳纤维，有机聚合材料采用聚酰胺。
（2）制备皮层：将聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸分别倒入搅拌机中，以120r/min的转速搅拌均匀，得到混合料，然后在混合料中加入二甲亚砜和聚乙二醇，以120r/min的转速混合均匀，再将混合均匀的物料熔融，通过喷丝板挤出，纺织成纳滤膜皮层。
（3）制备纳滤膜：通过界面聚合将皮层涂覆于支撑层以得到纳滤膜。
实施例3
与实施例2的区别在于：
纳滤膜的皮层包括以下重量的原料制成：
聚砜29kg；聚偏氟乙烯15kg；单宁酸21kg；溶剂62kg；致孔剂5kg。
实施例4
与实施例2的区别在于：
纳滤膜的皮层包括以下重量的原料制成：
聚砜22kg；聚偏氟乙烯11kg；单宁酸10kg；溶剂74kg；致孔剂2kg。
实施例5
与实施例2的区别在于：预先将7kg的聚醚胺和29kg的竹纤维混合均匀，然后再加入混合料中与其他原料混合均匀。
实施例6
与实施例2的区别在于：预先将12kg的聚醚胺和5kg的竹纤维混合均匀，然后再加入混合料中与其他原料混合均匀。
实施例7
与实施例6的区别在于：以等量的聚醚胺替代竹纤维。
实施例8
与实施例6的区别在于：以等量的竹纤维替代聚醚胺。
实施例9
与实施例2的区别在于：聚醚胺与竹纤维以重量比为1:1混合而成。
实施例10
与实施例2的区别在于：聚醚胺与竹纤维以重量比为1:2混合而成。
实施例11
与实施例2的区别在于：支撑层由玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛以重量比为1.2:1混合而成，致孔剂由羟甲基纤维素和高岭土以重量比1:1混合而成。
实施例12
与实施例2的区别在于：支撑层由玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛以重量比为2:1混合而成，致孔剂由羟甲基纤维素和高岭土以重量比1:2混合而成。
实施例13
与实施例2的区别在于：预先将12kg的聚醚胺和5kg的竹纤维混合均匀，然后再加入混合料中与其他原料混合均匀；聚醚胺与竹纤维以重量比为1:2混合而成；支撑层由玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛以重量比为1.2:1混合而成，致孔剂由羟甲基纤维素和高岭土以重量比1:1混合而成。
对比例1
与实施例2的区别在于：混合料中不加入单宁酸。
对比例2
与实施例2的区别在于：混合料中不加入聚砜。
对比例3
与实施例2的区别在于：混合料中不加入聚偏氟乙烯。
对比例4
与实施例2的区别在于：
纳滤膜的皮层包括以下重量的原料制成：
聚砜11kg；聚偏氟乙烯27kg；单宁酸30kg；溶剂37kg；致孔剂1kg。
对比例5
与实施例2的区别在于：
纳滤膜的皮层包括以下重量的原料制成：
聚砜39kg；聚偏氟乙烯6kg；单宁酸2kg；溶剂88kg；致孔剂12kg。
实验1
本实验根据GB/T34242-2017《纳滤膜测试方法》，分别检测上述实施例以及对比例所制备得到的纳滤膜的水通量（L/（m2∙h）），水通量越大，说明纳滤膜的渗透性能越好。
实验2
本实验根据GB/T34242-2017《纳滤膜测试方法》，分别检测上述实施例以及对比例所制备得到的纳滤膜的离子脱除率（%），离子脱除率越大，说明纳滤膜对钙镁离子的截留性能越好。
实验3
本实验根据GB/T32373-2015《反渗透膜测试方法》，分别检测上述实施例以及对比例所制备得到的纳滤膜的水通量变化率（%）以及脱盐率变化率（%），水通量变化率以及脱盐率变化率越大，说明纳滤膜的耐压性能越好。
以上实验检测数据见表2。
表2
根据表2中对比例1-3分别与实施例2的数据对比可得，对比例1中没有加入单宁酸，对比例2中没有加入聚砜，对比例3中没有加入聚偏氟乙烯，对比例1-3的纳滤膜的水通量基本接近，离子脱除率也基本接近；而实施例2中同时加入了单宁酸、聚砜以及聚偏氟乙烯，纳滤膜的水通量从30L/（m2∙h）左右升高至63.7L/（m2∙h），离子脱除率从77%左右升高至95.5%，说明同时加入单宁酸、聚砜以及聚偏氟乙烯互相协同配合，不仅有利于使得纳滤膜的渗透性提高，还使得纳滤膜对钙镁离子的截留性能提高，这是由于聚偏氟乙烯中的氟具有很强的吸电子性，与单宁酸中的羟基形成稳定的氢键，使得纳滤膜具有很好的亲水性，由此使得纳滤膜的水通量提高；同时，由于聚砜上的砜基基团是强吸电子基团，使得聚砜上的苯环呈供电子状态，苯环上的电子会与聚偏氟乙烯中的羰基（吸电子）结合，形成稳定的结构，使得纳滤膜的耐压性能提高，进而使得纳滤膜在高压下不容易发生破裂的现象，以此使得纳滤膜的性能不容易受到影响，由此得到既具有强亲水性又具有高强度的纳滤膜。
根据表2中实施例1与实施例2-4的数据分析对比可得，实施例2与实施例1的不同之处在于：实施例1中采用的现有的纳滤膜，实施例2采用的纳滤膜是由本申请制备得到的纳滤膜，实施例2中的纳滤膜的水通量从49.2L/（m2∙h）升高至63.7L/（m2∙h），离子脱除率从88.4%升高至95.5%，说明采用本申请制备得到的纳滤膜具有更好的渗透性，并且，还具有使得离子脱除率提高的效果。
根据表2中实施例5-8分别与实施例2的数据对比可得，实施例7在实施例2的基础上单独加入了聚醚胺，实施例8在实施例2的基础上单独加入了竹纤维，实施例7和实施例8中纳滤膜的水通量变化率基本接近，脱盐率变化率也基本接近。然而，实施例5-6在实施例2的基础上同时加入了聚醚胺和竹纤维，纳滤膜的水通量变化率从26.7%升高至28%左右，脱盐率变化率从15.8%升高至18%左右，说明只有同时加入聚醚胺和竹纤维，才具有使得纳滤膜的耐压性能提高的效果，而缺少聚醚胺或竹纤维均不能起到提高纳滤膜的耐压性能的效果。
以上均为本申请的较佳实施例，并非依此限制本申请的保护范围，故：凡依本申请的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本申请的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：包括顺次连通的原水箱(1)、电磁阀(2)、水泵(3)、预处理系统(4)、高压纳滤膜分离系统(5)、反渗透膜浓缩系统(6)、太阳能高效蒸发器(7)及浓水箱(8)，所述高压纳滤膜分离系统(5)包括纳滤膜增压泵(51)和纳滤膜过滤器(52)，所述反渗透膜浓缩系统(6)包括反渗透膜增压泵(61)和反渗透膜过滤器(62)，所述纳滤膜过滤器(52)的一端设有第一进水口(521)，所述纳滤膜过滤器(52)的另一端设有第一净水口(522)和第一浓水口(523)，所述反渗透膜过滤器(62)的一端设有第二进水口(621)，所述反渗透膜过滤器(62)的另一端设有第二净水口(622)和第二浓水口(623)，所述第一净水口(522)与反渗透膜增压泵(61)相连，所述第一浓水口(523)与排水沟相连，所述第二净水口(622)回流至水泵(3)，所述纳滤膜过滤器(52)包括纳滤膜，所述纳滤膜包括皮层和支撑层，所述皮层位于靠近第一进水口(521)的一侧，所述支撑层位于远离第一进水口(521)的一侧，所述支撑层为无机材料或/和有机聚合材料；
所述皮层包括以下重量份的原料制成：
聚砜16-29份；聚偏氟乙烯11-19份；单宁酸10-21份；溶剂55-74份；致孔剂2-8份；聚醚胺7-12份；竹纤维5-29份；
所述聚醚胺与竹纤维以重量比为1:1-2混合而成。
2.根据权利要求1所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述无机材料为玻璃纤维、碳纤维、氧化铝丝以及氧化锆丝中的一种或多种，所述有机聚合材料为聚氯乙烯、聚酰胺、聚丙烯、聚乙烯、聚乙烯醇缩甲醛以及聚氨基甲酸酯中的一种或多种。
3.根据权利要求2所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述支撑层由玻璃纤维和聚乙烯醇缩甲醛以重量比为1.2-2:1混合而成。
4.根据权利要求1所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述致孔剂为硝酸锂、氯化钠、氯化钙、碳酸钙、硝酸钙、二氧化碳、三氧化二铝、高岭土、聚氧乙烯、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇及羟甲基纤维素中的一种或多种。
5.根据权利要求4所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述致孔剂由羟甲基纤维素和高岭土以重量比1:1-2混合而成。
6.根据权利要求1所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述溶剂为N-N二甲基甲酰胺、N-N二甲基乙酰胺、N- 甲基吡咯烷酮、磷酸三乙酯、环丁砜及二甲基亚砜中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的一种盐湖提锂智能节能系统设备，其特征在于：所述纳滤膜的制备方法，包括以下步骤：
（1）制备支撑层：将无机材料或/和有机聚合材料混合均匀，然后挤出成型，即得支撑层；
（2）制备皮层：将聚砜、聚偏氟乙烯以及单宁酸混合均匀，得到混合料，然后在混合料中加入溶剂和致孔剂，混合均匀，再将混合后的物料熔融挤出通过喷丝板，纺织成纳滤膜皮层；
（3）制备纳滤膜：通过界面聚合将皮层涂覆于支撑层以得到纳滤膜。
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