CN220468095U - 一种电化学提锂的模块化装置 - Google Patents
一种电化学提锂的模块化装置 Download PDFInfo
- Publication number
- CN220468095U CN220468095U CN202322116711.2U CN202322116711U CN220468095U CN 220468095 U CN220468095 U CN 220468095U CN 202322116711 U CN202322116711 U CN 202322116711U CN 220468095 U CN220468095 U CN 220468095U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- lithium
- electrode
- gasket
- electrochemical
- recovery
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 196
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 188
- 238000000605 extraction Methods 0.000 title claims abstract description 69
- 238000011084 recovery Methods 0.000 claims abstract description 82
- 238000001179 sorption measurement Methods 0.000 claims abstract description 77
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 76
- 239000011550 stock solution Substances 0.000 claims abstract description 54
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 claims abstract description 22
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 44
- 230000002950 deficient Effects 0.000 claims description 29
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 claims description 22
- 230000006835 compression Effects 0.000 claims description 13
- 238000007906 compression Methods 0.000 claims description 13
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 10
- 239000011149 active material Substances 0.000 claims description 8
- 238000004064 recycling Methods 0.000 claims description 4
- 229910010707 LiFePO 4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910015643 LiMn 2 O 4 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910013716 LiNi Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 abstract description 6
- 230000005611 electricity Effects 0.000 abstract description 6
- 238000000034 method Methods 0.000 description 25
- 239000002994 raw material Substances 0.000 description 22
- 239000000463 material Substances 0.000 description 15
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 14
- 238000003860 storage Methods 0.000 description 12
- HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N Lithium ion Chemical compound [Li+] HBBGRARXTFLTSG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 10
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 10
- 229910001416 lithium ion Inorganic materials 0.000 description 10
- 238000005265 energy consumption Methods 0.000 description 9
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 9
- 125000006850 spacer group Chemical group 0.000 description 9
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 6
- GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N lithium magnesium Chemical compound [Li].[Mg] GCICAPWZNUIIDV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910021645 metal ion Inorganic materials 0.000 description 6
- 230000002572 peristaltic effect Effects 0.000 description 6
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 6
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 5
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 5
- 229920000049 Carbon (fiber) Polymers 0.000 description 4
- YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N Fluorine atom Chemical compound [F] YCKRFDGAMUMZLT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M Potassium chloride Chemical compound [Cl-].[K+] WCUXLLCKKVVCTQ-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 4
- 239000004917 carbon fiber Substances 0.000 description 4
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 4
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 4
- 229910052731 fluorine Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011737 fluorine Substances 0.000 description 4
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 4
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 4
- 230000006978 adaptation Effects 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 3
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 3
- 238000000638 solvent extraction Methods 0.000 description 3
- FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N Magnesium Chemical compound [Mg] FYYHWMGAXLPEAU-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N dilithium;dioxido(dioxo)manganese Chemical compound [Li+].[Li+].[O-][Mn]([O-])(=O)=O QHGJSLXSVXVKHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003475 lamination Methods 0.000 description 2
- 229910052749 magnesium Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000011777 magnesium Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 2
- 235000011164 potassium chloride Nutrition 0.000 description 2
- 239000001103 potassium chloride Substances 0.000 description 2
- 238000001556 precipitation Methods 0.000 description 2
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 1
- 239000013543 active substance Substances 0.000 description 1
- 239000003463 adsorbent Substances 0.000 description 1
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 description 1
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 description 1
- 238000004891 communication Methods 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000003795 desorption Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 238000003912 environmental pollution Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 238000011835 investigation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- -1 nuclear industry Substances 0.000 description 1
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 1
- 239000003208 petroleum Substances 0.000 description 1
- 238000003825 pressing Methods 0.000 description 1
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 1
- 238000011160 research Methods 0.000 description 1
- 238000003756 stirring Methods 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
Abstract
本实用新型提供了一种电化学提锂的模块化装置，所述模块化装置包括至少一个电化学吸附单元，每个电化学吸附单元内设置有原液腔室和回收液腔室，原液腔室和回收液腔室之间设置有阴离子交换膜；原液腔室在背向回收液腔室的一侧设置有贫锂电极，贫锂电极和电源负极电性连接，回收液腔室在背向原液腔室的一侧设置有富锂电极，富锂电极和电源正极电性连接。本实用新型通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，降低提锂的电耗，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂。
Description
技术领域
本实用新型属于提锂技术领域，涉及一种电化学提锂的模块化装置，尤其涉及一种电化学吸附法提锂的膜块化装置。
背景技术
锂被誉为“21世纪的能源金属”和“未来的白色石油”，是电化学活性最强的金属之一。锂及其化合物被广泛用于各个领域，如电池、陶瓷、玻璃、核工业、医药、航空航天等。锂资源广泛存在于矿石和盐湖卤水中。由于盐湖中锂的含量较高、资源丰富，相对于从锂矿石中提取锂来说，其提锂的成本大约是锂矿石中提锂的二分之一，因此，从盐湖卤水中提锂具有巨大的优势。
目前，从盐湖卤水中提锂的方法主要有沉淀法、溶剂萃取法、吸附法、电渗析法等。其中，较为传统的蒸发结晶/沉淀法多用于锂离子浓度较高、镁锂比较低的体系；针对低锂离子浓度和高镁锂比的溶液体系，溶剂萃取和吸附法为具有发展前景的方法，但溶剂萃取法需要消耗中大量有机溶剂，吸附法解吸过程使用大量酸性溶液造成环境污染。
随着技术交叉的不断加深，传统的吸附法在和电化学技术融合出现了基于锂电池原理的电化学吸附提锂方法，强化了吸附剂材料的选择性，在低品位、复杂共存离子的溶液体系下表现出显著优势。从未来电化学锂回收系统的工业发展角度来看，电化学反应器的设计和运行参数是关键。但是，由于卤水中锂离子浓度低、镁锂比高等特性，导致电化学吸附法提锂过程中提锂速率较低，且用于电化学吸附法提锂的装置存在极板间距大、卤水流动不充分和溶液传质效果不佳等问题，严重影响了电化学吸附法提锂过程中的提锂容量和能耗。因此，针对卤水中高镁锂比和锂含量低的问题，如何实现高镁锂比卤水和低品位锂资源的高效提取成为当下研究的热点。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种电化学提锂的模块化装置，在本实用新型中，通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，经过对原料液和回收液流速大小的调节，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，有利于减小溶液电阻，降低提锂的电耗，可根据生产需求实现电化学吸附单元的可控控制，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
为达此目的，本实用新型采用以下技术方案：
本实用新型提供了一种电化学提锂的模块化装置，所述模块化装置包括至少一个电化学吸附单元，每个所述电化学吸附单元内设置有原液腔室和回收液腔室，所述原液腔室和所述回收液腔室之间设置有阴离子交换膜；所述原液腔室在背向所述回收液腔室的一侧设置有贫锂电极，所述贫锂电极和电源负极电性连接，所述回收液腔室在背向所述原液腔室的一侧设置有富锂电极，所述富锂电极和电源正极电性连接。
在本实用新型中，通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，经过对原料液和回收液流速大小的调节，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，有利于减小溶液电阻，降低提锂的电耗，可根据生产需求实现电化学吸附单元的可控控制，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
需要说明的是，现有技术方案中通过采用多个电化学基本单元装置串联组成的电化学回收锂装置，但是该装置在提锂过程中，针对锂的吸附和解析的操作是独立且分步交替进行的，过程较为复杂，提锂效果不佳；还有一种连续式电化学元素提取系统，但该提锂体系仅有一个电极从提取槽转入回收槽，提取与回收分步进行，锂的提取效率较低且能耗较高，均不适合规模化投入使用。而且，本申请中针对电化学吸附单元进行了模块化设计，在电化学吸附单元内平行间隔安装阴离子交换膜，阴离子交换膜将单元分隔为原液腔室和回收液腔室，原液腔室与回收液腔室交替排布，且原液腔室和回收液腔室上设有进出水口，通过电极在原液腔室和回收液腔室间的电场切换，实现锂从原料中分离并在回收液中富集，解决了上述问题，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
进一步地，本实用新型中的模块化装置可以根据原料中锂浓度的不同，通过增减原液腔室和回收液腔室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。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述模块化装置还包括原液储罐和回收液储罐，所述原液储罐通过第一驱动件向所述原液腔室供液，所述回收液储罐通过第二驱动件向所述回收液腔室供液。
需要说明的是，本实用新型中对原液储罐和回收液储罐的具体形状、尺寸和材质等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
优选地，所述第一驱动件和所述第二驱动件相同。需要说明的是，本实用新型中对第一驱动件和第二驱动件的具体结构、形状、尺寸和材质等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。其中，第一驱动件可以是蠕动泵，进一步地，设置的蠕动泵能够调节蠕动泵的转速来改变泵入溶液流速，以满足不同锂离子浓度原溶液进行最大程度的锂离子捕获。
作为本实用新型一种优选的技术方案，每个所述电化学吸附单元通过连接件连接。
优选地，所述连接件为实心垫片。需要说明的是，本实用新型中对实心垫片的具体形状和尺寸等不做特殊限定，其主要用于分隔每个电化学吸附单元，形成连续稳定的运行效果即可，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。其中，实心垫片可以是实心氟胶垫片。
作为本实用新型一种优选的技术方案，每个所述原液腔室通过连接管串联或并联。
需要说明的是，本实用新型中每个原液腔室通过连接管串联时，整体运行使得提取率增加；并联时，呈现更高的提锂速率。
优选地，每个所述回收液腔室通过管路串联或并联。
需要说明的是，本实用新型中每个回收液腔室通过管路并联时，整体运行实现回收液锂浓度高倍浓缩。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述原液腔室背向所述回收液腔室的一侧，沿靠近所述原液腔室的走向依次层叠设置有第一压紧板、第一垫片、所述贫锂电极和第二垫片。
需要说明的是，本实用新型对第一垫片和第二垫片的材质不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行适应性调整。其中，第一垫片和第二垫片的材质可以相同，可以不同，具体材质可以是氟胶。
优选地，所述第一压紧板、所述第一垫片、所述贫锂电极和所述第二氟垫片通过安装孔固定连接。
优选地，所述贫锂电极包括沿靠近所述原液腔室的走向依次层叠设置的第一集流体和第一电极材料层。
优选地，所述第一集流体为阴极集流体。
优选地，所述第一集流体的材质为钛网、钛箔和碳纤维布中的任意一种。
需要说明的是，本实用新型中对第一集流体的具体形状、尺寸等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
优选地，所述第一电极材料层采用的活性物质为Li1-xMn2O4、Li1-xNiyCozMn1-y-zO2和Li1-xFePO4中的任意一种，其中，0<x<1。
需要说明的是，本实用新型中“0<x<1”运用在Li1-xMn2O4、Li1-xNiyCozMn1-y-zO2和Li1-xFePO4，即多个化学式共用一个x，不同的化学式中的x的选择范围均为此范围，但各化学式中x在选择的时候是相互独立的，可以相同也可以不同，不受彼此限制。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述回收液腔室背向所述原液腔室的一侧，沿远离所述回收液腔室的走向依次层叠设置有第三垫片、所述富锂电极、第四垫片和第二压紧板。
需要说明的是，本实用新型对第三垫片和第四垫片的材质不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况进行适应性调整。其中，第三垫片和第四垫片的材质可以相同，可以不同，具体材质可以是氟胶。
优选地，所述第三垫片、所述富锂电极、所述第四垫片和所述第二压紧板通过安装孔固定连接。
优选地，所述富锂电极包括沿远离所述回收液腔室的走向依次层叠设置的第二电极材料层和第二集流体。
优选地，所述第二集流体为阳极集流体。
优选地，所述第二集流体的材质为钛网、钛箔和碳纤维布中的任意一种。
需要说明的是，本实用新型中对第二集流体的具体形状、尺寸等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
优选地，所述第二电极材料层采用的活性物质为LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2和LiFePO4中的任意一种，其中，0<x+y<1。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述第一垫片和所述第四垫片均为中空结构。
优选地，所述第一垫片中空结构的镂空部分和所述第四垫片中空结构的镂空部分的面积相同。
优选地，所述镂空部分的面积大于等于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
本实用新型中镂空部分的面积大于等于贫锂电极和/或富锂电极的面积，是因为在此尺寸下使得贫锂电极密封，可以防止贫锂电极渗水。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述第一垫片的厚度大于等于所述贫锂电极的厚度。
需要说明的是，本实用新型中第一垫片的厚度大于等于贫锂电极的厚度，是因为该结构可以用于贫锂电极密封，防止贫锂电极渗水。
优选地，所述第四垫片的厚度大于等于所述富锂电极的厚度。
需要说明的是，本实用新型中第四垫片的厚度大于等于富锂电极的厚度，是因为该结构可以用于富锂电极密封，防止富锂电极渗水。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述第二垫片和所述第三垫片均为中空结构。
优选地，所述第二垫片中空结构的镂空部分和所述第三垫片中空结构的镂空部分的面积相同。
优选地，所述镂空部分的面积和所述原液腔室和/或所述回收液腔室的截面积相同。
优选地，所述镂空部分的面积小于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
本实用新型中镂空部分的面积小于贫锂电极和/或富锂电极的面积，是因为在此尺寸下使得垫片对电极进行固定，若不是该尺寸会导致电极受溶液冲刷导致物理损伤。
需要说明的是，本实用新型中阴离子交换膜可以选用标准阴离子交换膜或单价选择性阴离子交换膜，其中可以选用0.13mm厚的单价选择性阴离子交换膜，本领域技术人员可以根据实际情况进行适应性调整。
作为本实用新型一种优选的技术方案，所述第一垫片和所述第四垫片的镂空部分的面积均大于所述第二垫片和所述第三垫片的镂空部分的面积。
优选地，所述第一垫片和第四垫片的镂空部分的面积均大于等于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果为：
在本实用新型中，通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，经过对原料液和回收液流速大小的调节，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，有利于减小溶液电阻，降低提锂的电耗，可根据生产需求实现电化学吸附单元的可控控制，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
附图说明
图1为本实用新型一个具体实施方式提供的模块化装置的结构示意图；
图2为本实用新型一个具体实施方式提供的模块化装置中第一压紧板或第二压紧板的结构示意图；
图3为本实用新型一个具体实施方式提供的模块化装置中第一垫片的结构示意图；
图4为本实用新型一个具体实施方式提供的模块化装置中原液腔室和回收液腔室的结构示意图；
图5为本实用新型一个具体实施方式提供的模块化装置中第二垫片的结构示意图；
图6为实施例1提供的模块化装置在不同膜面流速下的提锂容量变化图；
图7为对比例1提供的传统H型电解槽的结构示意图；
其中，1-第一压紧板；2-第一集流体；3-第一垫片；4-第二垫片；5-原液腔室；6-回收液腔室；7-第三垫片；8-第四垫片；9-第二集流体；10-实心垫片；11-出水管路；12-进水管路；
13-原料室；14-回收室；15-阴离子交换膜；16-贫锂电极；17-富锂电极；18-电源开关。
具体实施方式
需要理解的是，在本实用新型的描述中，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
需要说明的是，在本实用新型的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
本领域技术人员理应了解的是，本实用新型中必然包括用于实现工艺完整的必要管线、常规阀门和通用泵设备，但以上内容不属于本实用新型的主要实用新型点，本领域技术人员可以基于工艺流程和设备结构选型可以自行增设布局，本实用新型对此不做特殊要求和具体限定。
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本实用新型的技术方案。
在一个具体实施方式中，本实用新型提供了一种电化学提锂的模块化装置，如图1至图5所示，所述模块化装置包括至少一个电化学吸附单元，每个电化学吸附单元内设置有原液腔室5和回收液腔室6，原液腔室5和回收液腔室6之间设置有阴离子交换膜15；原液腔室5在背向回收液腔室6的一侧设置有贫锂电极16，贫锂电极16和电源负极电性连接，回收液腔室6在背向原液腔室5的一侧设置有富锂电极17，富锂电极17和电源正极电性连接。
在本实用新型中，通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，经过对原料和回收液流速大小的调节，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，有利于减小溶液电阻，降低提锂的电耗，可根据生产需求实现电化学吸附单元的可控控制，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
需要说明的是，现有技术方案中通过采用多个电化学基本单元装置串联组成的电化学回收锂装置，但是该装置在提锂过程中，针对锂的吸附和解析的操作是独立且分步交替进行的，过程较为复杂，提锂效果不佳；还有一种连续式电化学元素提取系统，但该提锂体系仅有一个电极从提取槽转入回收槽，提取与回收分步进行，锂的提取效率较低且能耗较高，均不适合规模化投入使用。而且，本申请中针对电化学吸附单元进行了模块化设计，在电化学吸附单元内平行间隔安装阴离子交换膜15，阴离子交换膜15将单元分隔为原液腔室5和回收液腔室6，原液腔室5与回收液腔室6交替排布，且原液腔室5和回收液腔室6上设有进出水口，通过电极在原液腔室5和回收液腔室6间的电场切换，实现锂从原料中分离并在回收液中富集，解决了上述问题，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
进一步地，本实用新型中的模块化装置可以根据原料中锂浓度的不同，通过增减原液腔室5和回收液腔室6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。
进一步地，模块化装置还包括原液储罐和回收液储罐，原液储罐通过第一驱动件向原液腔室5供液，回收液储罐通过第二驱动件向回收液腔室6供液。需要说明的是，本实用新型中对原液储罐和回收液储罐的具体形状、尺寸和材质等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
进一步地，第一驱动件和第二驱动件相同。需要说明的是，本实用新型中对第一驱动件和第二驱动件的具体结构、形状、尺寸和材质等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。其中，第一驱动件可以是蠕动泵，进一步地，设置的蠕动泵能够调节蠕动泵的转速来改变泵入溶液流速，以满足不同锂离子浓度原溶液进行最大程度的锂离子捕获。
进一步地，每个电化学吸附单元通过连接件连接，连接件为实心垫片10。需要说明的是，本实用新型中对实心垫片10的具体形状和尺寸等不做特殊限定，其主要用于分隔每个电化学吸附单元，形成连续稳定的运行效果即可，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
进一步地，每个原液腔室5通过连接管串联或并联。每个回收液腔室6通过管路串联或并联。
进一步地，原液腔室5背向回收液腔室6的一侧，沿靠近原液腔室5的走向依次层叠设置有第一压紧板1、第一垫片3、贫锂电极16和第二垫片4，第一压紧板1、第一垫片3、贫锂电极16和第二垫片4通过安装孔固定连接。
进一步地，贫锂电极16包括沿靠近原液腔室5的走向依次层叠设置的第一集流体2和第一电极材料层，第一集流体2为阴极集流体，第一集流体2的材质为钛网、钛箔和碳纤维布中的任意一种。需要说明的是，本实用新型中对第一集流体2的具体形状、尺寸等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
进一步地，第一电极材料层采用的活性物质为Li1-xMn2O4、Li1-xNiyCozMn1-y-zO2和Li1-xFePO4中的任意一种，其中，0<x<1。
进一步地，回收液腔室6背向原液腔室5的一侧，沿远离回收液腔室6的走向依次层叠设置有第三垫片7、富锂电极17、第四垫片8和第二压紧板，第三垫片7、富锂电极17、第四垫片8和第二压紧板通过安装孔固定连接。
进一步地，富锂电极包括沿远离回收液腔室6的走向依次层叠设置的第二电极材料层和第二集流体9，第二集流体9为阳极集流体，第二集流体9的材质为钛网、钛箔和碳纤维布中的任意一种。需要说明的是，本实用新型中对第二集流体9的具体形状、尺寸等不做特殊限定，本领域技术人员可以根据实际情况做出适应性调整。
进一步地，第二电极材料层采用的活性物质为LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2和LiFePO4中的任意一种，其中，0<x+y<1。
进一步地，第一垫片3和第四垫片8均为中空结构，第一垫片3中空结构的镂空部分和第四垫片8中空结构的镂空部分的面积相同，镂空部分的面积大于等于贫锂电极16和/或富锂电极17的面积。
进一步地，第一垫片3的厚度大于等于贫锂电极16的厚度。需要说明的是，本实用新型中第一垫片3的厚度大于等于贫锂电极16的厚度，是因为该结构可以用于贫锂电极16密封，防止贫锂电极16渗水。
进一步地，第四垫片8的厚度大于等于富锂电极17的厚度。需要说明的是，本实用新型中第四垫片8的厚度大于等于富锂电极17的厚度，是因为该结构可以用于富锂电极17密封，防止富锂电极17渗水。
进一步地，第二垫片4和第三垫片7均为中空结构，第二垫片4中空结构的镂空部分和第三垫片7中空结构的镂空部分的面积相同，镂空部分的面积和原液腔室5和/或回收液腔室6的截面积相同，镂空部分的面积小于贫锂电极16和/或富锂电极17的面积。
进一步地，阴离子交换膜15为阴离子选择性透过膜。需要说明的是，本实用新型中阴离子交换膜15可以选用普通阴离子交换膜或单价选择性阴离子交换膜，其中可以选用0.13mm厚的单价选择性阴离子交换膜，本领域技术人员可以根据实际情况进行适应性调整。
第一垫片3和第四垫片8的镂空部分的面积均大于第二垫片4和第三垫片7的镂空部分的面积。第一垫片3和第四垫片8的镂空部分的面积均大于等于贫锂电极16和/或富锂电极17的面积。
实施例1
本实施例提供了一种电化学提锂的模块化装置，其中：
模块化装置包括一个电化学吸附单元，电化学吸附单元内设置有原液腔室5和回收液腔室6，原液腔室5和回收液腔室6之间设置有阴离子交换膜15；原液腔室5在背向回收液腔室6的一侧设置有贫锂电极16，贫锂电极16和电源负极电性连接，回收液腔室6在背向原液腔室5的一侧设置有富锂电极17，富锂电极17和电源正极电性连接。
上述的电化学吸附单元采用的安装方式为：厚度为30mm的第一压紧板1，依次平整对齐放置厚度为0.4mm的第一垫片3、第一集流体2、第一电极材料、厚度为1mm的第二垫片4、原液腔室5、第一单价阴离子交换膜15、回收液腔室6、厚度为1mm的第三垫片7、第二电极材料、第二集流体9、厚度为0.4mm厚的第四垫片8，最后再放置厚度为30mm的第二压紧板。此时，原液腔室5的厚度为10mm，回收液腔室6的厚度为10mm，各部件采用螺杆压紧，并用相匹配的螺帽固定，螺杆长为145mm，直径为3.5mm。
上述模块化装置的电化学提锂过程包括：将电化学吸附单元与外部管道连接，采用电化学吸附法处理高镁锂比低锂浓度混合溶液，其中，原料液为200mL、锂浓度为0.0072mol/L、镁浓度为1mol/L；回收液为200mL、浓度为0.05mol/L的KCl溶液，以不同的膜面流速为考察条件，取样分析原料液锂浓度和回收液锂浓度，并计算提锂容量及电流效率。
进一步地，离子电化学吸附容量、平均离子电化学吸附速率、电流效率和电化学吸附能耗的具体计算方式如下：
(1)离子电化学吸附容量
离子电化学吸附容量(Electrosorption capacity of ion,EM)为单位有效质量的电极材料对目标离子的电化学吸附容量。计算公式如下所示：
其中，EM为电极材料对目标金属离子的电化学吸附容量(mg/g)；CR为回收液中的目标金属离子浓度(mg/L)；VR为回收液体积(mL)；Ci为第i次所取样品中的目标金属离子浓度(mg/L)；Vi为第i次所取样品的体积(mL)；w为电极中活性物质。
(2)平均离子电化学吸附速率
平均离子电化学吸附速率(Electrosorption of metal ion，rM)为单位有效质量的电极材料在单位时间内对离子的电化学吸附容量。计算公式如下所示：
其中，rM为目标金属离子的电化学吸附速率(mg/(g·min))；EM为电极材料对目标金属离子的电化学吸附容量(mg/g)；t为电化学吸附时间(min)。
(3)电流效率
电流效率(Current efficiency，η)为锂离子迁出电极材料所需电荷量所占电源施加给电极材料的总电荷量百分比。计算公式如下所示：
其中，η为电流效率(％)；F为法拉第常数(96485C/moL)；ELi为电极材料的电化学吸附锂容量(mg/g)；w为电极中活性物质的有效质量(g)；MLi为Li的摩尔质量(6.941g/moL)；t为电化学吸附时间(s)；I(t)为电化学吸附过程中t时刻所对应的电流大小(A)。
(4)电化学吸附能耗
电化学吸附能耗(Specific energy consumption，Esec)为单位摩尔锂离子电化学吸附所需要消耗的电能。计算公式如下所示：
其中，Esec为单位摩尔锂离子电化学吸附时所消耗的电能(Wh/mol Li)；MLi为Li的摩尔质量(6.941g/moL)；U为两电极间所施加的电压大小(V)；t为电化学吸附时间(s)；I(t)为电化学吸附过程中t时刻所对应的电流大小(A)。ELi为电极材料的电化学吸附锂容量(mg/g)；w为电极中活性物质的有效质量(g)。
最终，得到的提锂容量达到35.72mg/g、提锂速率为0.21mg/g·min，能耗仅为3.03Wh/mol Li。
如图6所示，在不同的膜面流速导致电极与溶液的边界层厚度的不同，过小的膜面流速电极与水溶液界面边界层较厚，腔室内溶液在电化学吸附过程中存在浓差极化现象，导致提锂容量和效率偏低，合适的膜面流速会使电极界面边界层变薄，有效抑制浓差极化现象，达到较优的吸附效果。
对比例1
本对比例提供了一种传统的H型电解槽，如图7所示，其中：
H型电解槽包括回收室14和原料室13，回收室14和原料室13之间设置有阴离子交换膜15，且回收室14内设置有富锂电极17，原料室13内设置有贫锂电极16。
上述H型电解槽的具体安装方法包括：由一张阴离子交换膜15分隔为阳回收室14和原料室13，收室14内设置有富锂电极17，原料室13内设置有贫锂电极16，回收室14为氯化钾溶液，原料室13为高镁锂比低锂浓度混合溶液，实验过程中原料室13溶液处于搅拌状态，以消除浓差极化现象。
上述H型电解槽的操作步骤包括：回收室14放富锂态锰酸锂膜电极，原料室13放贫锂态锰酸锂膜电极，在两电极间施加恒定电场，通过电极开关18控制，完成电化学锂吸附实验。
由如下表1可见，相比于传统H型电解槽，本实用新型的模块化装置针对电化学吸附提锂有着较低的能耗以及较高的提锂容量。
表1实施例和对比例的性能数据结果
综上，本实用新型通过对电化学吸附单元的模块化结构设置，经过对原料液和回收液流速大小的调节，实现了锂的高倍浓缩，降低了电极之间的间距，有利于减小溶液电阻，降低提锂的电耗，可根据生产需求实现电化学吸附单元的可控控制，通过增添或减少电化学吸附单元实现锂资源的低碳提取，整体结构及操作简单，运行连续且稳定，实现了从低锂浓度溶液中绿色、连续和高效地提取并回收锂的效果。
以上所述仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本实用新型的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述模块化装置包括至少一个电化学吸附单元，每个所述电化学吸附单元内设置有原液腔室和回收液腔室，所述原液腔室和所述回收液腔室之间设置有阴离子交换膜；
所述原液腔室在背向所述回收液腔室的一侧设置有贫锂电极，所述贫锂电极和电源负极电性连接，所述回收液腔室在背向所述原液腔室的一侧设置有富锂电极，所述富锂电极和电源正极电性连接。
2.根据权利要求1所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述模块化装置还包括原液储罐和回收液储罐，所述原液储罐通过第一驱动件向所述原液腔室供液，所述回收液储罐通过第二驱动件向所述回收液腔室供液；
所述第一驱动件和所述第二驱动件相同。
3.根据权利要求1所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，每个所述电化学吸附单元通过连接件连接；
所述连接件为实心垫片。
4.根据权利要求1所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，每个所述原液腔室通过连接管串联或并联；
每个所述回收液腔室通过管路串联或并联。
5.根据权利要求1所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述原液腔室背向所述回收液腔室的一侧，沿靠近所述原液腔室的走向依次层叠设置有第一压紧板、第一垫片、所述贫锂电极和第二垫片；
所述第一压紧板、所述第一垫片、所述贫锂电极和所述第二垫片通过安装孔固定连接；
所述贫锂电极包括沿靠近所述原液腔室的走向依次层叠设置的第一集流体和第一电极材料层；
所述第一集流体为阴极集流体；
所述第一电极材料层采用的活性物质为Li1-xMn2O4、Li1-xNiyCozMn1-y-zO2和Li1-xFePO4中的任意一种，其中，0<x<1。
6.根据权利要求5所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述回收液腔室背向所述原液腔室的一侧，沿远离所述回收液腔室的走向依次层叠设置有第三垫片、所述富锂电极、第四垫片和第二压紧板；
所述第三垫片、所述富锂电极、所述第四垫片和所述第二压紧板通过安装孔固定连接；
所述富锂电极包括沿远离所述回收液腔室走向依次层叠设置第二电极材料层和第二集流体；
所述第二集流体为阳极集流体；
所述第二电极材料层采用的活性物质为LiMn2O4、LiNixCoyMn1-x-yO2和LiFePO4中的任意一种，其中，0<x+y<1。
7.根据权利要求6所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述第一垫片和所述第四垫片均为中空结构；
所述第一垫片中空结构的镂空部分和所述第四垫片中空结构的镂空部分的面积相同；
所述镂空部分的面积大于等于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
8.根据权利要求6所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述第一垫片的厚度大于等于所述贫锂电极的厚度；
所述第四垫片的厚度大于等于所述富锂电极的厚度。
9.根据权利要求6所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述第二垫片和所述第三垫片均为中空结构；
所述第二垫片中空结构的镂空部分和所述第三垫片中空结构的镂空部分的面积相同；
所述镂空部分的面积和所述原液腔室和/或所述回收液腔室的截面积相同；
所述镂空部分的面积小于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
10.根据权利要求9所述的电化学提锂的模块化装置，其特征在于，所述第一垫片和所述第四垫片的镂空部分的面积均大于所述第二垫片和所述第三垫片的镂空部分的面积；
所述第一垫片和第四垫片的镂空部分的面积均大于等于所述贫锂电极和/或所述富锂电极的面积。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322116711.2U CN220468095U (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种电化学提锂的模块化装置 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202322116711.2U CN220468095U (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种电化学提锂的模块化装置 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220468095U true CN220468095U (zh) | 2024-02-09 |
Family
ID=89774456
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202322116711.2U Active CN220468095U (zh) | 2023-08-08 | 2023-08-08 | 一种电化学提锂的模块化装置 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN220468095U (zh) |
-
2023
- 2023-08-08 CN CN202322116711.2U patent/CN220468095U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Zhao et al. | Review on the electrochemical extraction of lithium from seawater/brine | |
| Wu et al. | Lithium recovery using electrochemical technologies: Advances and challenges | |
| Zhou et al. | Progress in electrochemical lithium ion pumping for lithium recovery | |
| CN104577243A (zh) | 一种利用锂离子载体从含锂离子溶液中回收锂资源的方法 | |
| CN109487081A (zh) | 采用流动电极的提锂单元及扩展装置和连续操作方法 | |
| CN108560019B (zh) | 一种连续流控不对称锂离子电容提锂装置及提锂方法 | |
| CN110550704A (zh) | 一种利用混合流体电极材料实现超低能耗连续除盐的方法 | |
| CN111613822A (zh) | 一种低成本锌-铁液流电池堆 | |
| CN113999979A (zh) | 一种连续运行电化学提锂系统及方法 | |
| CN214694319U (zh) | 提锂槽用单元 | |
| CN116837229B (zh) | 一种基于流动电极电化学选择性提锂的系统及方法和应用 | |
| CN220468095U (zh) | 一种电化学提锂的模块化装置 | |
| CN111326778B (zh) | 一种中性锂溴液流电池 | |
| CN116607012A (zh) | 一种废旧钴酸锂电池正极材料回收系统及方法 | |
| CN117004832A (zh) | 一种电化学提锂的模块化装置 | |
| EP3709421A1 (en) | Zinc-iodine flow battery | |
| CN110306052A (zh) | 一种金属锂单质及其制备方法与应用 | |
| CN115418675A (zh) | 一种电化学提锂方法 | |
| CN111584914B (zh) | 一种低成本中性液流电池堆 | |
| CN113904015A (zh) | 一种废弃锂电池正极材料的再生方法 | |
| CN216514041U (zh) | 一种连续运行电化学提锂系统 | |
| CN110071317A (zh) | 一种锡溴液流电池 | |
| CN220579355U (zh) | 一种电化学脱嵌电解槽及电化学脱嵌电解系统 | |
| CN117305584B (zh) | 一种流动浆料电脱嵌提锂的系统和方法 | |
| US20230212769A1 (en) | Method and apparatus for extracting lithium from solution using bipolar electrodes |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |