DE112011103839B4

DE112011103839B4 - Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Anreicherung von Lithium in Salzlake

Info

Publication number: DE112011103839B4
Application number: DE112011103839.9T
Authority: DE
Inventors: Xuheng LIU; Zhongwei ZHAO
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-11-11
Publication date: 2016-08-18
Anticipated expiration: 2031-11-12
Also published as: US20130186760A1; WO2012065361A1; WO2012065361A4; DE112011103839T5; US9062385B2

Abstract

Verfahren zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung von Lithium in Salzlake, umfassend folgende Schritte: 1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Elektrodialyse umfassend eine Elektrodialysezelle, Aufteilen der Elektrodialysezelle in eine Lithiumsalzkammer und eine Laugenkammer mittels einer Anionenaustausch-Membran; Füllen der Laugenkammer mit Salzlake; und Füllen der Lithiumsalzkammer mit einer Mg2+-freien Stützelektrolytlösung; und 2) Platzieren eines leitfähigen Substrats, beschichtet mit einem Ionensieb in der Laugenkammer, um als Kathode zu agieren, Platzieren eines leitfähigen Substrats beschichtet mit einem Lithium-interkalierten Ionensieb in der Lithiumsalzkammer, um als Anode zu agieren; und während der Durchführung der Elektrodialyse, ist das Ionensieb dazu geeignet, Li+ in die Laugenkammer einzulagern, um in ein anderes Lithium-interkaliertes Ionensieb unter einem externen elektrischen Potential zu transformieren, wobei das Lithium-interkalierte Ionensieb dazu geeignet ist, Li+ in eine leitfähige Lösung abzugeben, um in ein anderes Ionensieb unter dem externen elektrischen Potential zu transformieren und nach dem Einlagern bzw. Abgeben von Li+ durch das Ionensieb und das Lithium-interkalierte Ionensieb, wird Li+ von Mg2+ und anderen Kationen getrennt und in der Lithiumsalzkammer angereichert, um eine lithiumangereicherte Lösung zu erhalten.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die Erfindung bezieht sich auf den metallurgischen Bereich und insbesondere auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung des Lithiums aus Salzlake.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Als das leichteste Metall finden Lithium und dessen Derivate in vielen Industriezweigen wie der Keramik-, Glas-, Gummi-, Kunststoff- und Arzneiindustrie breite Anwendung. Der Lithiumverbrauch dieser Industriezweige macht mehr als 70% des Gesamtverbrauchs aus. Mittlerweile ist Lithium ein sehr wichtiges energetisches Metall. Seit die Lithiumionenbatterie durch das Unternehmen Sony im Jahre 1990 kommerzialisiert wurde, ist Lithium immer wichtiger in der modernen Industrie geworden und es gilt als das neue energetische Metall des 21. Jahrhunderts. Wegen der hohen Energiedichte und der langen Lebensdauer wurde die Lithiumionenbatterie in elektrischen Geräten breit verwendet. Wegen einer schnell wachsenden Nachfrage von Lithium am Markt, wird die Erforschung der Lithiumausschöpfungsquote immer wichtiger.
Lithium kommt in der Natur in Form von Erz und Salzlauge vor. Das meiste Lithium kommt in Salzlauge und insbesondere in Salzlake vor, dessen Vorrat 80% der gesamten Vorräte beträgt. Jedoch kann wegen der schnell wachsenden Nachfrage am Markt das Lithium aus Erz die Nachfrage nicht bedienen. Darüber hinaus sind die Schürfkosten sehr hoch, so dass damit begonnen wurde, Lithium in Salzlake zu explorieren. Salzlauge enthält gewöhnlich Chloride, Sulfate und Natriumkarbonate, Kalium, Magnesium, Kalzium, Bor und Lithium. Zusätzlich zu seltenen Salzlaken, wie der Atacama-Salzlake in Chile, wo das Verhältnis von Magnesium zu Lithium sehr niedrig ist (etwa 6: 1), ist in den meisten Salzlaken das Verhältnis von Magnesium zu Lithium größer als 40 und das Verhältnis ist sogar größer als 1800 in einigen Salzlaken. Lithium koexistiert mit einer großen Menge von Erdalkalimetallen. Nach der Regel zur Reihenfolge der Besetzung der Teilschalen mit Elektronen ist die chemische Eigenschaft von Mg²⁺-Ionen sehr ähnlich denen von Li⁺-Ionen, so dass die Trennung des Lithiums von Magnesium sehr schwierig ist, wobei die Kosten von effektiver Lithiumanreicherung stark angestiegen sind, was die Anreicherung und die Verwendung von Lithium einschränkt. Die Gewinnung des Lithiums aus der Salzlake mit einem hohen Verhältnis von Magnesium zu Lithium war zu allen Zeiten ein weltweites Problem. Technologien zur Ausfällung, Karbonisation, Ionenaustausch und Lösungsmittelextraktion kamen zum Einsatz, um das technische Problem zu lösen und einen Weg zu finden, die Lithiumausschöpfungsquote in Salzlauge effektiv zu explorieren. Beispielsweise ist aus dem Dokument US 4 636 295 A ein Elektrodialyseverfahren zur Trennung von Li-Mg-Salzlösungen bekannt, wobei eine Elektrodialysezelle eingesetzt wird. Aus der Druckschrift DE 20 58 910 B is ferner bekannt, dass Ionensiebe zur Sorption von Alkalimetallen, beispielsweise Lithiumionen, verwendet werden können, wobei diese Ionensiebe beispielsweise Modifikationen des Mangandioxides sein können. Jedoch weisen die meisten dieser Verfahren einen komplizierten Prozess, hohe Kosten, starke Korrosion der Vorrichtung und niedrige Reinheit der Produkte auf und sie sind nicht für die Massenproduktion geeignet.
KURZFASSUNG DER ERFINDUNG
In Anbetracht der oben beschriebenen Probleme, ist es eine Aufgabe der Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung des Lithiums aus Salzlake bereitzustellen. Das Verfahren und die Vorrichtung können effektiv Lithium von Magnesium trennen und gleichzeitig eine lithiumangereicherte Lösung erzielen. Das Verfahren weist einen kurzen Prozessablauf, einen einfachen und durchgehenden Betrieb, geringe Herstellungskosten und eine zweckmäßige industrielle Anwendung auf.
Das Verfahren zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung von Lithium in Salzlake umfasst folgende Schritte:

1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Elektrodialyse, umfassend eine Elektrodialysezelle, Aufteilen der Elektrodialysezelle in eine Lithiumsalzkammer und eine Laugenkammer mittels einer Anionenaustausch-Membran; Füllen der Laugenkammer mit Salzlake; und Füllen der Lithiumsalzkammer mit einer Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung, wie etwa einer Lösung von NaCl, KCl, NH₄Cl, Na₂SO₄, K₂SO₄, NaNO₃ oder KNO₃;
2) Platzieren eines leitfähigen Substrats, beschichtet mit einem Ionensieb, in der Laugenkammer, um als Kathode zu agieren, Platzieren eines leitfähigen Substrats, beschichtet mit einem Lithium-interkalierten Ionensieb in der Lithiumsalzkammer, um als Anode zu agieren, wobei während der Durchführung der Elektrodialyse, das Ionensieb dazu geeignet ist, Li⁺ in der Laugenkammer einzulagern, um in ein anderes Lithium-interkaliertes Ionensieb unter einem externen elektrischen Potential zu transformieren, wobei das Lithium-interkalierte Ionensieb dazu geeignet ist, Li⁺ in eine leitfähige Lösung abzugeben, um in ein anderes Ionensieb unter dem externen elektrischen Potential zu transformieren, wobei nach dem Einlagern bzw. Abgeben von Li⁺ durch das Ionensieb und das Lithium-interkalierte Ionensieb, ist Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen getrennt und in der Lithiumsalzkammer angereichert, um eine lithiumangereicherte Lösung zu ergeben.

Nach Schritt 2) wird Li⁺ in der Laugenkammer in das Ionensieb eingelagert, das dann in das Lithium-interkalierte Ionensieb transformiert, währenddessen das Lithium-interkalierte Ionensieb in der Lithiumsalzkammer Li⁺ in die leitfähige Lösung abgibt und in das Ionensieb transformiert. Deshalb können die beiden Elektroden durch Vertauschen der Positionen wiederverwendet werden.
Somit kann nach Schritt 2) der folgende Schritt ausgeführt werden:
Abführen einer Flüssigkeit aus der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; Wiederauffüllen der Laugenkammer mit der Salzlake; Vertauschen der Positionen der Kathode und der Anode; und Fortsetzen der Elektrodialyse.
Wahlweise kann nach Schritt 2) um das Vertauschen der Positionen der Kathode und der Anode zu vermeiden, der folgende Schritt ausgeführt werden, um Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen zu trennen und Li⁺ anzureichern:
Beibehalten der Positionen der Kathode und der Anode; Abführen einer Flüssigkeit aus der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; Überführen einer Lithiumlösung von der Lithiumsalzkammer in die Laugenkammer; und Wiederauffüllen der Lithiumsalzkammer mit der Salzlake; das heißt, Wechseln der Funktionen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer und Fortsetzen der Elektrodialyse. Deshalb werden, sobald der obengenannte Prozess wiederholt wird, die Funktionen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer gewechselt.
Das Lithium-interkalierte-Ionensieb wird aus einem Lithium-Eisenphosphat, LiMn₂O₄, oder einem Gemisch davon ausgewählt; oder es wird gebildet durch Einlagerung von Li⁺ von der Salzlauge der Laugenkammer in das Ionensieb unter dem externen elektrischen Potential in Gegenwart von Eisenphosphat, Lithiumtitanat, MnO₂ oder einem Gemisch davon. Das Lithium-Eisenphosphat wird aus LiFePO₄, Li_xMe_yFePO₄, LiFeMe_yPO₄, LiFePO₄/C, Li_xMe_yFePO₄/C, LiFe_xMe_yPO₄/C oder einem Gemisch davon ausgewählt, wobei Me für Mn, Co, Mo, Ti, Al, Ni, Nb oder einem Gemisch davon steht; 0 < x < 1; und 0 < y < 1.
Eine weitere Art, das Lithium-interkalierte Ionensieb zu gewinnen, ist die folgende: Trennen der Vorrichtung zur Elektrodialyse in die Lithiumsalzkammer und die Laugenkammer mittels der Anionenaustausch-Membran, Füllen der Laugenkammer mit der Salzlake und Füllen der Lithiumsalzkammer mit der Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung; Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Ionensieb in der Laugenkammer, um als Kathode zu agieren, wobei das Ionensieb eine bevorzugte Adsorption zu Li⁺ aufweist; Verwenden einer inerten Elektrode als Gegenelektrode und Durchführen einer kathodischen Polarisation, wobei das Ionensieb in das Lithium-interkalierte Ionensieb transformiert wird, nachdem Li⁺ in der Salzlauge in das Ionensieb eingelagert wurde.
Das Ionensieb wird von einem Eisenphosphat, einem Lithiumtitanat, MnO₂, oder einem Gemisch davon ausgewählt; oder wird gebildet durch Abgabe von Li⁺ von dem Lithium-interkalierten Ionensieb in die leitfähige Lösung unter dem externen elektrischen Potential.
Das Eisenphosphat wird vorzugsweise aus Fe_1-xMe_xPO₄, Fe_1-xMe_xPO₄/C oder einem Gemisch davon ausgewählt, wobei Me für Mn, Co, Mo, Ti, Al, Ni, Nb oder einem Gemisch davon steht; und 0 ≤ x ≤ 0,1. Das Lithiumtitanat wird von Li₄Ti₅O₁₂, Li_xMe_yTi₅O₁₂, Li₄Me_mTi_nO₁₂ oder einem Gemisch davon ausgewählt, wobei Me für V, Fe, Co, Mn, Al, Ba, Ag, Zr, Sr, Nb, F oder ein Gemisch davon steht; 0 < x < 4, 0 < y < 4; 0 < m < 5; und 0 < n < 5.
Das Eisenphosphat kann wie folgt gewonnen werden: Aufteilen der Vorrichtung zur Elektrodialyse in die Lithiumsalzkammer und die Laugenkammer mittels der Anionenaustausch-Membran, Füllen der Laugenkammer mit der Salzlake und Füllen der Lithiumsalzkammer mit der Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung; Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit Lithium-Eisenphosphat in der Lithiumsalzkammer, um als Anode zu agieren; Verwenden einer inerten Elektrode als Gegenelektrode und Durchführen einer anodischen Polarisation, wobei das Lithium-Eisenphosphat nach der Abgabe von Li⁺ von dem Lithium-Eisenphosphat in die Lösung in Eisenphosphat transformiert wird.
Eine Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Anreicherung von Lithium in Salzlake umfasst: die Vorrichtung zur Elektrodialyse, wobei die Vorrichtung zur Elektrodialyse die Elektrodialysezelle umfasst, die durch die Anionenaustausch-Membran aufgeteilt ist in die Lithiumsalzkammer und die Laugenkammer; die Kathode; und die Anode. Die Kathode und die Anode sind jeweils in den beiden Kammern angeordnet. Die Kathode ist das leitfähige Substrat, beschichtet mit dem Ionensieb. Die Anode ist das leitfähige Substrat, beschichtet mit dem Lithium-interkalierten Ionensieb.
Schlüsselpunkte der Erfindung liegen darin: das angepasste Ionensieb weist eine bevorzugte Adsorption zu Li⁺ auf und einen stabilen Betrieb in Wasserlösung auf. Durch Einstellen des Systempotentials wird Li⁺ in der Lösung in das Kristallgitter des Ionensiebes eingelagert, wobei andere Ionen in der Lösung hinterlassen werden. Durch den Prozess wir Li⁺ effektiv von anderen Ionen getrennt. Danach wird das Lithium-interkalierte Ionensieb in die Mg²⁺-freie Stützelektrolytlösung, wie etwa eine NaCl-Lösung platziert und durch Einstellen des Systempotentials wird Li⁺ in dem Lithium-interkalierten Ionensieb in die Lösung abgegeben, um die lithiumangereicherte Lösung zu erhalten, sodass eine effektive Trennung und Konzentration von Lithium erreicht wird. Das Ionensieb und das Lithium-interkalierte Ionensieb können vertauscht werden. Nimmt man das Ionensieb, hergestellt aus Lithiumtitanat, als ein Beispiel, platziert das Ionensieb in eine Lösung, die Lithium oder die Salzlake umfasst, stellt das elektrische Potential des Systems mittels einer Spannung von einem externen Schaltkreis ein, so dass das Titan des Ionensiebs reduziert wird, um die elektrische Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten, dann wird Li⁺ im Kristallgitter des Lithiumtitanats eingelagert, um ein Lithium-interkaliertes Produkt zu bilden. Platzieren des Lithium-interkalierten Produkts in der Stützelektrolytlösung, Einstellen des elektrischen Potentials des Systems, um das Titan des Ionensiebs zu oxidieren, sodass Li⁺ in die Lösung abgegeben wird und von anderen Ionen getrennt wird, und währenddessen wird das Ionensieb erneuert, welches wiederholt verwendet werden kann. Nimmt man das Ionensieb, hergestellt aus dem Eisenphosphat, als ein weiteres Beispiel, platziert das Ionensieb in die Lösung, die Lithium oder die Salzlake umfasst, stellt das elektrische Potential des Systems durch eine Spannung von einem externen Schaltkreis ein, sodass Eisen(III)ionen des Ionensiebes reduziert werden zu Eisen(II)ionen, um die elektrische Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten, dann wird Li⁺ im Kristallgitter des Eisenphosphats eingelagert, um ein Lithiumionen-phosphat zu bilden. Platzieren des Lithiumionen-phosphats in die Stützelektrolytlösung, Einstellen des elektrischen Potentials des Systems, um die Eisen(II)ionen des Ionensiebs zu Eisen(III)ionen zu oxidieren, sodass Li⁺ in die Lösung abgegeben wird und von anderen Ionen getrennt wird und währenddessen wird das Ionensieb des Eisenphosphats erneuert, welches wiederholt verwendet werden kann.
Die Erfindung ist insoweit vorteilhaft, als während des Betriebs der Vorrichtung zur Elektrodialyse Li⁺ in der Salzlauge in das Ionensieb eingelagert wird und währenddessen Li⁺ in dem Lithium-interkalierten Ionensieb in die Lithiumsalzkammer abgegeben wird. Dieser Prozess senkt effektiv den Energieverbrauch und verbessert die Effizienz der Lithium-anreicherung.
Insbesondere wird das Verfahren wie folgt durchgeführt:

1) die primäre Einlagerung des Lithiums in das Ionensieb: Aufteilen der Vorrichtung zur Elektrodialyse in die Lithiumsalzkammer und die Laugenkammer mittels der Anionenaustausch-Membran; Füllen der Laugenkammer mit der Salzlake und Füllen der Lithiumsalzkammer mit der Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung; Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Ionensieb, in der Laugenkammer, um als Kathode zu agieren, wobei das Ionensieb eine bevorzugte Adsorption zu Li⁺ aufweist; die inerte Elektrode wird als Gegenelektrode verwendet und führt eine kathodische Polarisation durch, sodass das Ionensieb in das Lithium-interkalierte Ionensieb transformiert wird, nachdem Li⁺ in der Salzlauge in das Ionensieb eingelagert wird.
2) Trennung des Lithiums von Magnesium: Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Ionensieb, in die Laugenkammer, um als die Kathode zu agieren und Füllen der Laugenkammer mit der Salzlauge; Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Lithium-interkalierten Ionensieb, in der Lithiumsalzkammer, um als die Anode zu agieren und Füllen der Lithiumsalzkammer mit der Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung. Angetrieben durch das externe elektrische Potential wird Li⁺ in der Salzlauge der Laugenkammer in das Ionensieb eingelagert, um in das Lithium-interkalierte Ionensieb zu transformieren und Li⁺ in dem Lithium-interkalierten Ionensieb in der Lithiumsalzkammer wird in die leitfähige Lösung abgegeben. Da die Anionenaustausch-Membran verhindert, dass Kationen zwischen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer überführt werden, werden Anionen von der Laugenkammer zu der Lithiumsalzkammer mittels der Anionenaustausch-Membran überführt, um die elektrische Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten, indessen Li⁺ in der Laugenkammer zu der Lithiumkammer durch eine Festphase überführt wird.
3) nach Schritt 2) können folgende Schritte ausgeführt werden, um weiter Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen zu trennen und währenddessen Li⁺ zu konzentrieren: Abführen der Flüssigkeit von der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; und Wiederbefüllen der Laugenkammer mit der Salzlake. Überführen des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Ionensieb, gewonnen aus Schritt 2) von der Lithiumsalzkammer zu der Laugenkammer als die Kathode; Überführen des folgenden leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Lithium-interkalierten Ionensieb von der Laugenkammer zu der Lithiumsalzkammer als die Anode; und Durchführen der Elektrodialyse. Danach wird Li⁺ in der Salzlauge in das Ionensieb eingelagert; indessen gibt das Lithium-interkalierte Ionensieb Li⁺ in die Lithiumsalzkammer ab, sodass Li⁺ von der Laugenkammer zu der Lithiumsalzkammer durch die Festphase überführt wird. Nicht nur die Trennung von Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen wird ferner erreicht, sondern Li⁺ wird in der Lithiumsalzkammer konzentriert und eine lithiumangereicherte Lösung wird gewonnen. Die obengenannte Elektrodialyse kann wiederholt durchgeführt werden, um die Lithium-Konzentration zu realisieren. Wenn die Li⁺ Konzentration in der lithiumangereicherten Lösung einen gewissen Grad erreicht, kann Lithium direkt extrahiert werden.

Zur Vereinfachung der vorgenannten Vorgänge und zum Verhindern des ständigen Positionswechsels der beiden Elektroden zwischen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer, kann Schritt 3) wie folgt durchgeführt werden: nach Schritt 2), Beibehalten der Positionen der Kathode und der Anode; Abführen der Flüssigkeit von der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; Überführen der Lithiumlösung von der Lithiumsalzkammer zu der Kammer, wo das Lithium-interkalierte Ionensieb platziert ist, das ist die Laugenkammer; und Füllen der Kammer, wo das Ionensieb platziert ist, das ist die Lithiumsalzkammer, mit Salzlake. Dadurch wird die vorige Laugenkammer in eine neue Lithiumsalzkammer umgestellt und die vorige Lithiumsalzkammer wird in eine neue Laugenkammer umgestellt; das heißt, die Funktionen der Lithiumsalzkammer und der Laugenkammer werden vertauscht. Fortführen der Elektrodialyse und Wiederholen des obengenannten Substituts zu Schritt 3), um die Trennung von Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen zu erzielen und um die lithiumangereicherte Lösung zu gewinnen. Die obengenannte Elektrodialyse kann wiederholt durchgeführt werden, um eine Lithium-Konzentration zu erzielen. Wenn die Li⁺ Konzentration in der lithiumangereicherten Lösung einen gewissen Grad erreicht, kann Lithium direkt extrahiert werden.
In Übereinstimmung mit obengenanntem Verfahren, können während der Verwendung des Eisenphosphats als das Ionensieb zum Trennen und Konzentrieren des Lithiums von Magnesium folgende Schritte durchgeführt werden:

1) Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Lithium-Eisenphosphat als die Anode in der leitfähigen Lösung und Verwenden der inerten Elektrode als die Kathode. Anlegen eines externen elektrischen Potentials an die beiden Elektroden, wobei das Lithium-Eisenphosphat Li⁺ in die Lösung abgibt, um das Eisenphosphat-Ionensieb zu bilden.
2) Trennung des Lithiums von Magnesium: Platzieren des Eisenphosphat-Ionensiebes, das in Schritt 1) gewonnen wurde, in der Laugenkammer als die Kathode und Füllen der Laugenkammer mit der Salzlauge. Platzieren des leitfähigen Substrats, beschichtet mit dem Lithium-Eisenphosphat in der Lithiumsalzkammer als die Anode und Füllen der Lithiumsalzkammer mit der Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung. Angetrieben durch das externe elektrische Potential wird Li⁺ in der Salzlauge der Laugenkammer in das Ionensieb eingelagert, um in das Litium-interkalierte Ionensieb zu transformieren; und währenddessen wird Li⁺ in dem Lithium-Eisenphosphat in der Lithiumsalzkammer in die leitfähige Lösung abgegeben. Da die Anionenaustausch-Membran verhindert, dass Kationen zwischen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer transferiert werden, transferieren Anionen von der Laugenkammer zur Lithiumsalzkammer durch die Anionenaustausch-Membran, um die elektrische Ladungsbilanz aufrechtzuerhalten. Die Gesamtwirkung von Schritt 1) und 2) ist: Li⁺ in der Laugenkammer wird zuerst zum Ionensieb in eine Festphase transferiert und dann zu der Lithiumkammer, wodurch die Trennung des Lithiums von Magnesium erreicht wird.

Das Lithium-Eisenphosphat wird aus LiFePO₄, Li_xMe_yFePO₄, LiFe_xMe_yPO₄, LiFePO₄/C, Li_xMe_yFePO₄/C, LiFe_xMe_yPO₄/C oder einem Gemisch davon ausgewählt, wobei Me für Mn, Co, Mo, Ti, Al, Ni, Nb oder einem Gemisch davon steht, 0 < x < 1, und 0 < y < 1.
Die Salzlake wird von einer Lösung umfassend Lithiumionen, einer primären Salzlake, einer evaporierten Salzlake, einer evaporierten Salzlake nach der Kaliumextraktion oder einem Gemisch davon ausgewählt.
Das leitfähige Substrat ist ein Ruthenium-beschichtetes Titangitter, eine Graphitplatte, ein Metall der Platingruppe oder eine Legierungsfolie davon, ein Karbongewebe oder ein Graphitpapier.
Parameter der Vorrichtung zur Elektrodialyse sind wie folgt: Lösungstemperatur: 0–80°C; pH Wert: 2–12; und Spannung zwischen den beiden Elektroden: 0,5–2 V.
Die Vorteile der Erfindung werden wie folgt zusammengefasst:
Das Ionensieb nach der vorliegenden Erfindung weist eine gute Selektivität zu Li⁺, ein starkes Vermögen der Lithium-Adsorption sowie gute Stabilität auf und ist dazu in der Lage, wiederholt Lithium in Salzlauge aufzukonzentrieren.

1. das Verfahren kann Salzlaugen mit verschiedenen Verhältnissen von Magnesium zu Lithium aufbereiten und insbesondere kann es das technische Problem der Trennung des Lithiums von einer Salzlauge mit einem hohen Verhältnis von Magnesium zu Lithium lösen;
2. Die Vorrichtung zur Elektrodialyse gemäß dem Verfahren kann eine Lithiumabgabe und gleichzeitiges Einlagern an zwei Elektroden ausführen und effektiv die bevorzugte Adsorption zu Lithium durchführen. Die Elektrodialyse benötigt eine Niederspannung, sodass die Vorrichtung energiesparend ist. Nach einem Betriebszyklus kann ein weiterer Zyklus durch Vertauschen der Positionen der beiden Elektroden oder Überführen der Elektrolytlösung fortgesetzt werden;
3. Die Vorrichtung zur Elektrodialyse in Übereinstimmung mit dem Verfahren kann Lithium von Magnesium trennen und gleichzeitig eine Lithium-Konzentration erreichen. Die Vorrichtung weist eine einfache Struktur und einen zweckmäßigen Betrieb auf und kann die Salzlake im Zyklus aufbereiten; und
4. das Verfahren weist geringe Herstellungskosten auf und ist für die Massenproduktion geeignet.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Draufsicht einer Elektrodialysezelle gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, in welcher die folgenden Bezugszahlen verwendet werden: 1. Anionenaustausch-Membran; 2. Kathode; 3. Anode; 4. Laugenkammer; 5. Lithiumsalzkammer;
2 ist ein Verhältnisdiagramm zwischen der Li⁺ Konzentration und einer Elektrodialysedauer; und
3. ist ein Verhältnisdiagramm zwischen der Li⁺ Konzentration und Elektrodialysezyklen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSFORMEN
Zur weiteren Darstellung der Erfindung werden im Folgenden Experimente zur detaillierten Darstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung von Lithium in Salzlake beschrieben. Es sollte beachtet werden, dass durch die folgenden Ausführungsbeispiele beabsichtigt ist, die Erfindung zu beschreiben und diese nicht einzuschränken.
Eine Vorrichtung zur Elektrodialyse gemäß der Erfindung, wie in 1 gezeigt, umfasst eine Elektrodialysezelle die durch eine Anionenaustausch-Membran 1 in zwei Kammern geteilt ist, d. h. eine Laugenkammer 4 und eine Lithiumsalzkammer 5. Eine Kathode 2 und eine Anode 3 sind in den beiden Kammern angeordnet. Die Kathode 2 ist ein leitfähiges Substrat, beschichtet mit einem Ionensieb und die Anode 3 ist ein leitfähiges Substrat, beschichtet mit einem Lithium-interkalierten Ionensieb.
Ausführungsbeispiel 1
10 g von FePO₄ und 0,5 g hochreines Graphit und 0,5 g Polyvinylidenfluorid (PVDF) wurden nach einem Gewichtsverhältnis von 20:1:1 gesammelt und vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wurde mit einem organischen Lösungsmittel N-Methyl-2-pyrrolidon (NMP), Erdboden angerührt und vermischt, um Matsch zu erhalten. Danach, wurde eine Graphitplatte mit dem Schlamm bedeckt und in einem Vakuumbehälter bei 110°C für 12 h getrocknet. Nach dem Abkühlen, wurde eine Verbundmembran eines Eisenphosphat-Ionensiebes gewonnen. Die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebes wurde in eine Laugenkammer einer Vorrichtung zur Elektrodialyse platziert, deren Draufsicht in 1 gezeigt wird, die Laugenkammer wurde mit 2 L Salzlake befällt. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 500

Na⁺ 2350

Mg²⁺ 18000

K⁺ 950

Ca²⁺ 90
Eine Lithiumsalzkammer wurde mit 500 mL einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/L befüllt; das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als eine Kathode verwendet und inertes Graphit wurde als Anode verwendet und in der Lithiumsalzkammer platziert. Eine Spannung von 0,5 V wurde an die beiden Elektroden bei 25°C für 15 h angelegt. Danach hatte die Laugenkammer eine Li⁺ Konzentration, die auf 358 mg/L reduziert wurde und 17994 mg/L einer Mg²⁺ Konzentration; das Eisenphosphat-Ionensieb hatte eine Li⁺ Adsorption von 28,4 mg/g und eine Mg²⁺ Adsorption von 1,2 mg/g.
Nach der primären Lithiumeinlagerung wurden Lösungen in der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer abgeführt. Das Lithium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde in die Lithiumsalzkammer platziert, die dann mit 500 mL einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/L nachgefüllt wurde. Nach obigem Verfahren dieses Ausführungsbeispiels, wurde eine weitere Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebes vorbereitet, mit 10 g FePO₄. Die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebes wurde in die Laugenkammer platziert, die mit 2 L Salzlake nachgefüllt wurde. Das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als die Kathode verwendet und das Lithium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde als Anode verwendet. Eine Spannung von 0,8 V wurde an die beiden Elektroden bei der Temperatur von 25°C und einem pH-Wert von 2 für 12 h angelegt. Die Laugenkammer hatte eine Li⁺ Konzentration, die auf 345 mg/L reduziert wurde und 17995 mg/L Mg²⁺ Konzentration; das Eisenphosphat-Ionensieb weist eine Li⁺ Adsorption von 31 mg/g auf und die Mg²⁺ Adsorption von 1 mg/g; und währenddessen wurde eine lithiumangereicherte Lösung mit einer Li⁺ Konzentration von 561 mg/L in der Lithiumsalzkammer gewonnen.
Ausführungsbeispiel 2
9 g Fe_0,99Mn_0,01PO₄ und 0,5 g von hochreinem Graphit und 0,5 g eines PVDF wurden nach einem Gewichtsverhältnis von 90:5:5 gesammelt und vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wurde mit einem organischen Lösungsmittel NMP, Erdboden angerührt und mit Schlamm gemischt. Danach wurde der Schlamm auf ein Ruthenium-beschichtetes Titangitter gesprüht oder gestrichen, welches dann in einem Vakuumbehälter bei 110°C für 10 h getrocknet wurde. Nach dem Abkühlen wurde eine Verbundmembran eines Eisenphosphat-Ionensiebs gewonnen.
Die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebes wurde in eine Laugenkammer platziert, die mit 2 L Salzlake befüllt war. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 200

Na⁺ 2580

Mg²⁺ 1260

K⁺ 780
Eine Lithiumsalzkammer wurde mit 200 mL einer NaCl-Lösung befüllt, mit einer Konzentration von 50 g/L; das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als eine Kathode verwendet und eine Pt-Elektrode wurde als eine Anode in die Lithiumsalzkammer platziert. Eine Spannung von 1,0 V wurde an die beiden Elektroden bei 50°C für 10 h angelegt. Danach hatte die Laugenkammer eine auf 55,1 mg/L reduzierte Li⁺ Konzentration und eine Mg²⁺ Konzentration von 1254 mg/L; das Eisenphosphat-Ionensieb hatte eine Li⁺ Adsorption von 32,2 mg/g und eine Mg²⁺ Adsorption von 1,33 mg/g.
Nach der primären Lithiumeinlagerung wurden Lösungen in der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer abgeführt. Das Lithium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde in die Lithiumsalzkammer platziert, die dann mit 500 mL der NaCl-Lösung mit der Konzentration von 50 g/L nachgefüllt wurde. Gemäß dem oberen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wurde eine weitere Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebs mit 9 g Fe_0,99Mn_0,01PO₄ vorbereitet. Die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebs wurde dann in die Laugenkammer platziert, die dann mit 2 L der Salzlake nachgefüllt wurde. Das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als Kathode verwendet und das Litium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde als Anode verwendet. Eine Spannung von 1,5 V wurde an beide Elektroden angelegt, um die Elektrodialyse bei einer Temperatur von 50°C und einem pH-Wert von 7 auszuführen. Die Li⁺ Konzentration in der Lithiumsalzkammer wurde jede Stunde einmal gemessen, die Ergebnisse davon werden in 2 gezeigt. Nach 10 h Elektrodialyse hat die Laugenkammer die auf 55 mg/L reduzierte Li⁺ Konzentration und die Mg²⁺ Konzentration von 1254 mg/L; das Eisenphosphat-Ionensieb weist die Li⁺ Adsorption von 32,2 mg/g auf und die Mg²⁺ Adsorption von 1,33 mg/g; und währenddessen wurde eine lithiumangereicherte Lösung mit der Li⁺ Konzentration von 576 mg/L in der Lithiumsalzkammer gewonnen.
Ausführungsbeispiel 3
Gemäß dem Verfahren des Ausführungsbeispiels 2, wurden 3 g Fe_0,99Mn_0,01PO₄ verwendet, um eine Verbundmembran eines Eisenphosphat-Ionensiebs vorzubereiten. Die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebs wurde in eine Laugenkammer platziert, die mit 500 mL Salzlake befüllt wurde. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 500

Na⁺ 2350

Mg²⁺ 18000

K⁺ 950

Ca² 90
Eine Lithiumsalzkammer wurde mit 500 mL einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 50 g/L befüllt; das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als eine Kathode verwendet und inertes Graphit wurde als eine Anode verwendet. Eine Spannung von 2,0 V wurde an die beiden Elektroden bei 80°C für 10 h angelegt. Danach hatte die Laugenkammer eine auf 268,4 mg/L reduzierte Li⁺ Konzentration und eine Mg²⁺ Konzentration von 17991 mg/L; das Fe_0,99Mn_0,01PO₄ Eisenphosphat-Ionensieb hatte eine Li⁺ Adsorption von 38,6 mg/g und eine Mg²⁺ Adsorption von 1,5 mg/g.
Gemäß dem oberen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels, wurde eine weitere Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebs mit 3 g Fe_0,99Mn_0,01PO₄ vorbereitet. Nach der primären Lithiumeinlagerung wurde die Verbundmembran des Eisenphosphat-Ionensiebs in die Laugenkammer platziert, die mit 500 mL Salzlake nachgefüllt wurde; und das Lithium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde in die Lithiumsalzkammer platziert, die dann mit 500 mL der NaCl-Lösung mit der Konzentration von 50 g/L nachgefüllt wurde. Das Lithium-interkalierte Eisenphosphat-Ionensieb wurde als die Anode verwendet und das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als die Kathode verwendet. Eine Spannung von 2,0 V wurde an beide Elektroden angelegt, um die Elektrodialyse bei einer Temperatur von 80°C und einem pH-Wert von 12 für 10 h auszuführen. Nach der Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration in der Lithiumsalzkammer auf 269,1 mg/L reduziert; eine lithiumangereicherte Lösung mit der Li⁺ Konzentration von 115 mg/L wurde in der Lithiumsalzkammer gewonnen; und währenddessen wurden Formen des Lithium-interkalierten Eisenphosphat-Ionensiebs und des Eisenphosphat-Ionensiebs ausgetauscht. Positionen der beiden Elektroden wurden beibehalten, eine Flüssigkeit wurde nach der Lithiumeinlagerung abgeführt und die lithiumangereicherte Lösung wurde zu der vorigen Laugenkammer über einen Speichertank überführt. Eine neue Laugenkammer (die vorige Lithiumsalzkammer) wurde mit 500 mL Salzlake befüllt und eine zweite Elektrodialyse wurde unter den gleichen Bedingungen durchgeführt. Danach war die Li⁺ Konzentration der lithiumangereicherten Lösung in der Lithiumsalzkammer auf 229 mg/L angestiegen.
Derartige Elektrodialyse von Lithium-Einlagerung/-Abgabe wurde einige Male wiederholt. Nach einer dritten Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration der lithiumangereicherten Lösung auf 351 mg/L angestiegen. Nach einer vierten Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration der lithiumangereicherten Lösung auf 465 mg/L angestiegen. Die Elektrodialyse wurde 10 Mal durchgeführt und nach der zehnten Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration der lithiumangereicherte Lösung auf 1162 mg/L angestiegen. Die Änderung der Li⁺ Konzentration wird in 3 gezeigt.
Ausführungsbeispiel 4
Gemäß dem Verfahren des Ausführungsbeispiels 2, wurden 10 g MnO₂ verwendet, um eine Verbundmembran aus MnO₂ Ionensieb vorzubereiten. Die Verbundmembran aus MnO₂ Ionensieb wurde in eine Laugenkammer platziert, die mit 1 L Salzlake gefüllt wurde. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake sind gleich denen der Salzlake in Ausführungsbeispiel 3. Eine Graphitelektrode wurde in eine Lithiumsalzkammer platziert, die mit 500 mL einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/L befüllt wurde. Die Verbundmembran aus MnO₂ Ionensieb wurde als eine Kathode verwendet und die Graphitelektrode wurde als eine Anode verwendet. Eine Spannung von 1,2 V wurde an die beiden Elektroden bei 5°C für 12 h angelegt. Danach hatte die Laugenkammer eine auf 286 mg/L reduzierte Li⁺ Konzentration und eine Mg²⁺ Konzentration von 17982 mg/L; das Ionensieb hatte eine Li⁺ Adsorption von 21,4 mg/g und eine Mg²⁺ Adsorption von 1,8 mg/g.
Gemäß dem obigen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wurde eine weitere Verbundmembran von MnO₂ Ionensieb mit 10 g MnO₂ vorbereitet. Nach der primären Lithiumeinlagerung wurde das MnO₂ Ionensieb in die Laugenkammer platziert, die mit 1 L der Salzlake nachgefüllt wurde; und das Litium-interkalierte MnO₂ Ionensieb wurde in die Lithiumsalzkammer platziert, die dann mit 500 mL der NaCl Lösung mit der Konzentration 20 g/L nachgefüllt wurde. Das Litium-interkalierte MnO₂ Ionensieb wurde als die Anode verwendet und das MnO₂ Ionensieb wurde als die Kathode verwendet. Eine Spannung von 1,2 V wurde an beide Elektroden angelegt, um die Elektrodialyse bei 5°C für 10 h auszuführen. Nach der Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration in der Lithiumsalzkammer auf 284,2 mg/L reduziert; eine lithiumangereicherte Lösung mit der Li⁺ Konzentration von 428,3 mg/L wurde in der Lithiumsalzkammer gewonnen.
Nach der Elektrodialyse wurden Formen des Lithium-interkalierten MnO₂ Ionensiebs und des MnO₂ Ionensiebs ausgetauscht. Positionen der beiden Elektroden wurden beibehalten, eine Flüssigkeit wurde nach der Lithiumeinlagerung abgeführt und 500 mL der lithiumangereicherten Lösung wurden zu der vorigen Laugenkammer über einen Speichertank überführt. Eine neue Laugenkammer (die vorige Lithiumsalzkammer) wurde mit 1 L Salzlake nachgefüllt und eine zweite Elektrodialyse wurde unter gleichen Bedingungen durchgeführt. Nach der zweiten Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration der Laugenkammer auf 286,3 mg/L reduziert und die Li⁺ Konzentration der lithiumangereicherten Lösung in der Lithiumsalzkammer war auf 855,1 mg/L angestiegen.
Ausführungsbeispiel 5
2 g Li₄Ti₅O₁₂ und 0,25 g Acetylenruß und 0,25 g eines PVDF wurden nach einem Gewichtsverhältnis von 8:1:1 gesammelt und vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wurde mit einem organischen Lösungsmittel NMP, Erdboden angerührt und mit Schlamm vermischt. Danach wurde ein Graphitpapier mit dem Schlamm bedeckt und in einem Vakuumbehälter bei 120°C für 12 h getrocknet. Nach dem Abkühlen wurde eine Verbundmembran aus Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb gewonnen. Die Verbundmembran aus Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb wurde in eine Laugenkammer einer Vorrichtung zur Elektrodialyse platziert, die Laugenkammer wurde mit 1 L Salzlake gefüllt. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 200

Na⁺ 2580

Mg²⁺ 1260

K⁺ 780
Eine Graphitelektrode wurde in eine Lithiumsalzkammer platziert, die mit 500 mL einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/L befüllt wurde. Die Graphitelektrode wurde als eine Anode verwendet und das Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb wurde als eine Kathode verwendet. Eine Spannung von 0,8 V wurde an die beiden Elektroden bei 25°C für 10 h angelegt. Danach war die Li⁺ Konzentration in der Laugenkammer auf 157,6 mg/L reduziert und eine Mg²⁺ Konzentration in der Laugenkammer hatte fast keine Veränderung; das Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb hatte eine Li⁺ Adsorption von 21,2 mg/g.
Gemäß dem oberen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wurde eine weitere Verbundmembran des Li₄Ti₅O₁₂ Ionensiebs mit 2 g Li₄Ti₅O₁₂ vorbereitet. Nach der primären Lithiumeinlagerung wurde die Verbundmembran aus Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb in die Laugenkammer platziert, die mit 1 L Salzlake nachgefüllt wurde. Das Lithium-interkalierte Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb wurde in die Lithiumsalzkammer platziert, die dann mit 500 mL der NaCl-Lösung mit der Konzentration von 20 g/L nachgefüllt wurde. Das Litium-interkalierte Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb wurde als die Anode verwendet und das Li₄Ti₅O₁₂ Ionensieb wurde als die Kathode verwendet. Eine Spannung von 0,8 V wurde an beide Elektroden angelegt, um die Elektrodialyse bei 5°C und einem pH-Wert von 5 für 10 h auszuführen. Nach der Elektrodialyse war die Li⁺ Konzentration in der Laugenkammer auf 155,4 mg/L reduziert und eine lithiumangereicherte Lösung mit der Li⁺ Konzentration von 88,7 mg/L wurde in der Lithiumsalzkammer gewonnen.
Ausführungsbeispiel 6
4 g LiFe_0,99Mn_0,01PO₄/C und 0,5 g von hochreinem Graphit und 0,5 g eines PVDF wurden nach einem Gewichtsverhältnis von 8:1:1 gesammelt und vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wurde mit einem organischen Lösungsmittel NMP und Erdboden zu Schlamm vermischt. Danach wurde eine Graphitelektrode mit dem Schlamm bedeckt und in einem Vakuumbehälter bei 110°C für 12 h getrocknet. Nach dem Abkühlen wurde eine Verbundmembran eines Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs gewonnen. Die Verbundmembran des Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs wurde als eine Anode verwendet und Schaumnickel wurde als eine Kathode verwendet; beide Elektroden wurden in 1 L einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 30 g/L platziert. Eine Spannung von 1,1 V wurde an die beiden Elektroden für 10 h angelegt, danach wurde die Verbundmembran aus dem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb in ein Eisenphosphat-Ionensieb transformiert.
Gemäß dem oberen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wurde eine weitere Verbundmembran aus dem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb mit 4 g LiFe_0,99Mn_0,01PO₄/C vorbereitet. Die Verbundmembran des Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs wurde dann in eine Lithiumsalzkammer einer Vorrichtung zur Elektrodialyse platziert. Die Lithiumsalzkammer wurde mit 500 mL der NaCl Lösung mit der Konzentration von 30 g/L befüllt. das Eisenphosphat-Ionensieb wurde in eine Laugenkammer platziert, die mit 1 L Salzlake befüllt wurde. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 200

Na⁺ 2580

Mg²⁺ 1260

K⁺ 780
Die Verbundmembran des Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs wurde als die Anode verwendet und das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als die Kathode verwendet. Eine Spannung von 1,0 V wurde an die beiden Elektroden bei 25°C und einem pH-Wert von 8 für 15 h angelegt. Nach der Elektrodialyse war eine Li⁺ Konzentration der Laugenkammer auf 66,5 mg/L reduziert, eine Mg²⁺ Konzentration der Laugenkammer war 1257 mg/L und die Li⁺ Konzentration der Lithiumsalzkammer war 267,4 mg/L.
Ausführungsbeispiel 7
2 g LiFe_0,99Mn_0,01PO₄/C und 0,25 g von hochreinem Graphit und 0,25 g eines PVDF wurden nach einem Gewichtsverhältnis von 8:1:1 gesammelt und vermischt, um ein Gemisch zu bilden. Das Gemisch wurde mit einem organischen Lösungsmittel NMP und Erdboden zu Schlamm vermischt. Danach wurde ein Karbongewebe mit dem Schlamm bedeckt und in einem Vakuumbehälter bei 110°C für 12 h getrocknet. Nach dem Abkühlen wurde eine Verbundmembran aus einem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb gewonnen. Die Verbundmembran des Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs wurde als Anode verwendet und Schaumnickel wurde als eine Kathode verwendet; beide Elektroden wurden in 1 L einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 20 g/L platziert. Eine Spannung von 1,0 V wurde an die beiden Elektroden für 12 h angelegt, danach wurde die Verbundmembran aus dem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb in ein Eisenphosphat-Ionensieb transformiert.
Gemäß dem obigen Verfahren dieses Ausführungsbeispiels wurde eine weitere Verbundmembran aus dem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb mit 2 g LiFe_0,99Mn_0,01PO₄/C vorbereitet. Die Verbundmembran aus dem Lithium-Eisenphosphat-Ionensieb wurde dann in eine Lithiumsalzkammer einer Vorrichtung zur Elektrodialyse platziert. Die Lithiumsalzkammer wurde mit 1 L einer NaCl-Lösung mit einer Konzentration von 50 g/L befüllt. Das Eisenphosphat-Ionensieb wurde in eine Laugenkammer platziert, die mit 1 L Salzlake befüllt wurde. Hauptkomponenten und entsprechende Anteile der Salzlake werden im Folgenden aufgeführt:

Komponente Konzentration (mg/L)

Li⁺ 500

Na⁺ 2350

Mg²⁺ 18000

K⁺ 950

Ca²⁺ 90
Die Verbundmembran des Lithium-Eisenphosphat-Ionensiebs wurde als die Anode verwendet und das Eisenphosphat-Ionensieb wurde als die Kathode verwendet. Eine Spannung von 1,0 V wurde an die beiden Elektroden bei 30°C und einem pH-Wert von 10 für 12 h angelegt. Nach der Elektrodialyse war eine Li⁺ Konzentration der Laugenkammer auf 442,3 mg/L reduziert und die Li⁺ Konzentration der Lithiumsalzkammer war 57,8 mg/L. Nach der Elektrodialyse wurden Formen des Lithium-interkalierten Ionensiebs und des Ionensiebs ausgetauscht. Positionen der beiden Elektroden wurden vertauscht; das heißt, das Eisenphosphat-Ionensieb, transformiert von der Verbundmembran des Lithiumionen-phosphat Ionensiebs, wurde von der Lithiumsalzkammer in die Laugenkammer überführt und wurde als die Kathode verwendet; das Lithium-interkalierte Ionensieb, transformiert von dem Eisenphosphat-Ionensieb, wurde von der Laugenkammer in die Lithiumkammer überführt und wurde als die Anode verwendet; und dann wurde die Elektrolyse durchgeführt. Nach der Elektrodialyse betrug die Li⁺ Konzentration der Laugenkammer 384,6 mg/L und die Li⁺ Konzentration der Lithiumsalzkammer war auf 115,7 mg/L angestiegen.
Die Elektrodialyse wurde einige Male wiederholt und nach der sechsten Elektrodialyse betrug die Li⁺ Konzentration der Laugenkammer 153,5 mg/L und die Li⁺ Konzentration der Lithiumsalzkammer war auf 346,8 mg/L angestiegen.

Claims

Verfahren zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung von Lithium in Salzlake, umfassend folgende Schritte: 1) Bereitstellen einer Vorrichtung zur Elektrodialyse umfassend eine Elektrodialysezelle, Aufteilen der Elektrodialysezelle in eine Lithiumsalzkammer und eine Laugenkammer mittels einer Anionenaustausch-Membran; Füllen der Laugenkammer mit Salzlake; und Füllen der Lithiumsalzkammer mit einer Mg²⁺-freien Stützelektrolytlösung; und 2) Platzieren eines leitfähigen Substrats, beschichtet mit einem Ionensieb in der Laugenkammer, um als Kathode zu agieren, Platzieren eines leitfähigen Substrats beschichtet mit einem Lithium-interkalierten Ionensieb in der Lithiumsalzkammer, um als Anode zu agieren; und während der Durchführung der Elektrodialyse, ist das Ionensieb dazu geeignet, Li⁺ in die Laugenkammer einzulagern, um in ein anderes Lithium-interkaliertes Ionensieb unter einem externen elektrischen Potential zu transformieren, wobei das Lithium-interkalierte Ionensieb dazu geeignet ist, Li⁺ in eine leitfähige Lösung abzugeben, um in ein anderes Ionensieb unter dem externen elektrischen Potential zu transformieren und nach dem Einlagern bzw. Abgeben von Li⁺ durch das Ionensieb und das Lithium-interkalierte Ionensieb, wird Li⁺ von Mg²⁺ und anderen Kationen getrennt und in der Lithiumsalzkammer angereichert, um eine lithiumangereicherte Lösung zu erhalten.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt 2), mindestens der folgende Schritt einmal durchgeführt wird: Abführen einer Flüssigkeit aus der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; Wiederauffüllen der Laugenkammer mit der Salzlake; Vertauschen der Positionen der Kathode und der Anode; und Fortsetzen der Elektrodialyse.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt 2), mindestens der folgende Schritt einmal durchgeführt wird: Beibehalten der Positionen der Kathode und der Anode; Abführen einer Flüssigkeit aus der Laugenkammer nach der Lithiumeinlagerung; Überführen einer Lithiumlösung von der Lithiumsalzkammer in die Laugenkammer; und Wiederauffüllen der Lithiumsalzkammer mit der Salzlake zum Wechseln der Funktionen der Laugenkammer und der Lithiumsalzkammer und Fortsetzen der Elektrodialyse.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Salzlake ausgewählt wird aus einer Lösung, die Lithium umfasst, einer primären Salzlake, einer evaporierten Salzlake, einer evaporierte Salzlake nach Kaliumextraktion oder einem Gemisch davon.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das leitfähige Substrat in Schritt 2) ein Ruthenium-beschichtetes Titangitter, eine Graphitplatte, ein Metall der Platingruppe oder eine Legierungsfolie davon, ein Karbongewebe oder ein Graphitpapier ist.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Vorrichtung zur Elektrodialyse wie folgt sind: Temperatur der Lösungen: 0–80°C; pH-Wert der Lösungen: 2–12; und Spannung zwischen den beiden Elektroden: 0,5–2 V.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionensieb aus einem Eisenphosphat, einem Lithiumtitanat, MnO₂ oder einem Gemisch davon ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lithium-interkalierte Ionensieb durch Einlagerung von Li⁺ von der Salzlauge der Laugenkammer in das Ionensieb unter dem externen elektrischen Potential gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Eisenphosphat aus Fe_1-xMe_xPO₄, Fe_1-xMe_xPO₄/C oder einem Gemisch davon ausgewählt wird, wobei Me für Mn, Co, Mo, Ti, Al, Ni, Nb oder einem Gemisch davon steht und 0 < x < 0,1; und das Lithiumtitanat aus Li₄Ti₅O₁₂, Li_xMe_yTi₅O₁₂, Li₄Me_mTi_nO₁₂, oder einem Gemisch davon ausgewählt wird, wobei Me für V, Fe, Co, Mn, Al, Ba, Ag, Zr, Sr, Nb, F oder ein Gemisch davon steht, wobie 0 < x < 4, 0 < y < 4, 0 < m < 5 und 0 < n < 5 gilt.
Verfahren nach Anspruch 1, 2, oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Lithium-interkalierte Ionensieb aus einem Lithium-Eisenphosphat, LiMn₂O₄ oder einem Gemisch davon selektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionensieb durch Abgabe von Li⁺ von dem Lithium-interkalierten Ionensieb in die leitfähige Lösung unter dem externen elektrischen Potential gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Lithium-Eisenphosphat aus LiFePO₄, Li_xMe_yFePO₄, LiFe_xMe_yPO₄, LiFePO₄/C, Li_xMe_yFePO₄/C, LiFe_xMe_yPO₄/C oder einem Gemisch davon ausgewählt wird, wobei Me für Mn, Co, Mo, Ti, Al, Ni, Nb oder ein Gemisch davon steht, wobei 0 < x < 1, und 0 < y < 1.
Vorrichtung zum Trennen des Lithiums von Magnesium und Gewinnung und Anreicherung von Lithium in Salzlake gemäß Verfahren nach Anspruch 1, umfassend: a) Vorrichtung zur Elektrodialyse, wobei die Vorrichtung zur Elektrodialyse die Elektrodialysezelle umfasst, die in die Lithiumsalzkammer und die Laugenkammer mittels der Anionenaustausch-Membran geteilt ist; b) die Kathode; und c) die Anode; dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode und die Anode jeweils in den beiden Kammern angeordnet sind; die Kathode das leitfähige Substrat beschichtet mit dem Ionensieb ist; und die Anode das leitfähige Substrat beschichtet mit dem Lithium-interkalierten Ionensieb ist.