FR3020284A1 - Procede de preparation d'un materiau absorbant en l'absence de liant comprenant une etape de traitement hydrothermal et pocede d'extraction de lithium a partir de solutions salines utilisant ledit materiau - Google Patents

Procede de preparation d'un materiau absorbant en l'absence de liant comprenant une etape de traitement hydrothermal et pocede d'extraction de lithium a partir de solutions salines utilisant ledit materiau Download PDF

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Fabien Andre Pierre Burdet
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Abstract

L'invention concerne un procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiCl.2Al(OH)3,nH2O avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), d) une étape de mise en forme de ladite pâte séchée, directement après l'étape c) de séchage pour obtenir un matériau solide mis en forme, ladite étape d) de mise en forme étant réalisée en l'absence de liant, et e) le séchage du matériau solide mis en forme obtenu, f) une étape de traitement hydrothermal pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiCl.2Al(OH)3,nH2O mis en forme. L'invention concerne également un matériau solide obtenu selon ce procédé et un procédé d'extraction du lithium à partir de solutions salines utilisant le matériau ainsi préparé.

Description

PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU ADSORBANT EN L'ABSENCE DE LIANT COMPRENANT UNE ETAPE DE TRAITEMENT HYDROTHERMAL ET PROCEDE D'EXTRACTION DE LITHIUM A PARTIR DE SOLUTIONS SALINES UTILISANT LEDIT MATER1AU Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine des matériaux solides pour l'adsorption du lithium. En particulier, la présente invention se rapporte à un nouveau procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé et mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, comprenant au moins une étape de mise en forme, par exemple par extrusion réalisée en l'absence de liant et une étape de traitement hydrothermal finale permettant d'augmenter la résistance et la tenue mécanique du matériau lorsque celui-ci est mis au contact d'une solution saumure ou d'une solution diluée et de préférence dans l'eau.
La présente invention se rapporte également à un procédé d'extraction du lithium à partir de solutions salines utilisant ledit matériau solide cristallisé de formule LiCL2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 préparé selon le nouveau procédé de préparation selon l'invention.
Art antérieur Les ions lithium coexistent avec des quantités massives de métaux tels que par exemple les alcalins, les alcalino-terreux, le bore et les sulfates, en particulier dans des solutions salines telles que les saumures. Ainsi, ils doivent faire l'objet d'une extraction économique et sélective à partir de ces solutions salines. En effet, les propriétés chimiques du lithium et des métaux alcalins, de préférence le sodium (Na), et le potassium (K) et des alcalino-terreux, de préférence le magnésium (Mg), le calcium (Ca) et le strontium (Sr), rendent difficile la séparation de ces éléments. Les matériaux solides de formule LiCI.2A1(01-1)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 sont connus pour leur utilisation dans les phénomènes d'adsorption/désorption des ions lithium et en particulier dans les procédés d'extraction du lithium à partir de solutions salines. Ces structures peu stables permettraient l'intercalation d'atomes de Lithium dans la structure et ainsi l'extraction du lithium. Plusieurs protocoles opératoires conduisant à des solides susceptibles d'adsorber sélectivement le lithium ont été mis en évidence dans l'art antérieur. Dans tous les cas, un solide trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3, préparé ou commercial, est mis en contact avec un précurseur de lithium. Trois principaux précurseurs sont utilisés : le plus utilisé est le chlorure de lithium (LiCI). Un hydroxyde d'aluminium (Li0H) ou un carbonate de lithium (Li2CO3) peuvent également être mis en oeuvre. Le brevet US 6 280 693 décrit un procédé de préparation d'un solide LiCl/A1(OH)3 par ajout d'une solution aqueuse de LiOH a une alumine hydratée polycristalline pour former du Li0H/A1(OH)3, et ainsi créer des sites de lithium actifs dans les couches cristallines de l'alumine sans en altérer la structure. La transformation de Li0H/A1(OH)3en LiCl/A1(OH)3 est ensuite réalisée par ajout d'acide chlorhydrique dilué. Les pastilles d'alumine ainsi préparées sont ensuite utilisées dans un procédé d'extraction du lithium à partir de saumures à haute température. Le procédé d'extraction du lithium décrit dans le brevet US 6 280 693 utilise le solide détaillé ci-dessus et comprend les étapes ci-après : a) Saturation d'un lit de solide par une saumure contenant un sel de lithium LiX, X étant choisi parmi les halogénures, les nitrates, les sulfates et les bicarbonates, b) Déplacement de la saumure imprégnée par une solution concentrée NaX, c) Élution du sel LiX capté par le solide par passage d'une solution non saturée de LiX, d) Déplacement de l'imprégnant par une solution concentrée de NaX, les étapes a) à d) sont ensuite répétées au moins une fois. Le brevet RU 2 234 367 décrit un procédé de préparation d'un solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 comprenant une étape de mélange de trichlorure d'aluminium (A1C13) et de carbonate de lithium (Li2CO3) en présence d'eau à 40°C. Le résidu obtenu est filtré et lavé puis séché pendant 4 heures à 60°C. Le solide ainsi obtenu n'est pas mis en forme. Le solide obtenu est utilisé pour l'extraction du lithium contenu dans des solutions salines par mise en contact avec de l'eau afin d'éliminer une partie du lithium puis par mise en contact avec une solution saline contenant du lithium. La capacité statique ainsi obtenue est comprise entre 6,0 et 8,0 mg de lithium par g de solide. Le brevet CN1243112 décrit un procédé de préparation d'un solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 comprenant une étape de précipitation de microcristaux d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3 par mise en contact d'AICI3 et d'hydroxyde de sodium NaOH, puis la mise en contact desdits microcristaux avec une solution à 6% de chlorure de lithium LiCI à 80°C pendant 2 heures suivie d'une filtration, d'un rinçage et d'un séchage pour obtenir une poudre de LiC1.2A1(OH)3,nH20 doté d'une structure non ordonnée et amorphe. Une solution d'un polymère macromoléculaire choisie parmi les résines fluorées, le chlorure de polyvinyle (PVC), le chlorure de polyvinyle chloré (CPVC), le perchlorate d'éthylène et l'acétate-butyrates de cellulose (CAB) faisant office de liant est ensuite mélangée à la poudre de LiC1.2A1(01-1)3,nH20 pour obtenir une pâte qui est ensuite mise en forme par granulation suivie d'un séchage à l'air. L'utilisation d'un tel solide dans un procédé d'extraction du lithium des saumures de lacs salés permet d'obtenir un faible rapport Mg/Li et une liqueur mère riche en lithium et conforme aux normes de production de carbonates ou de chlorures de lithium. Un objectif de la présente invention est de fournir un matériau solide permettant l'extraction sélective de lithium à partir de saumure, ledit matériau solide étant de bonne qualité, sans défauts apparents et présentant une bonne cohésion et une bonne tenue mécanique lorsque celui-ci est mis au contact d'une solution saumure ou dans l'eau.
Un objectif de la présente invention est de fournir un nouveau procédé de préparation d'un tel matériau solide. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide. Un autre objectif de la présente invention est de fournir un matériau solide pour la mise en oeuvre d'un procédé d'extraction de lithium de solutions salines, dans lequel le matériau solide permet de limiter la génération de particules fines notamment car les particules fines augmentent la perte de charge, favorise la création de chemins préférentiels et augmentent le taux de renouvellement du matériau lors du passage de la saumure au travers d'un lit d'un matériau au sein d'une colonne.
Les demandeurs ont découvert un nouveau procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, comprenant une combinaison d'étape spécifique et en particulier que le fait de réaliser à la fois l'étape de mise en forme d'une pâte, en l'absence de liant, directement après une étape de séchage opérant dans des conditions spécifiques, l'étape de mise en forme étant ensuite suivie d'une autre étape de séchage opérant également dans des conditions spécifiques, puis de réaliser une étape de traitement hydrothermal finale des matériaux mis en forme permet d'obtenir un matériau solide cristallisé de formule LiCI.2A1(OH)3,nH20 de bonne qualité, présentant une bonne cohésion, sans défauts apparents et présentant également une bonne tenue mécanique du matériau lorsque celui-ci est mis au contact d'une solution saumure ou d'une solution diluée et de préférence dans l'eau. Résumé et intérêt de l'invention On entend de préférence par « matériau de formule LiC1.2A1(OH)3.nH20 » un matériau comprenant essentiellement ou consistant d'une phase cristallisée de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20.
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), à une température comprise entre 20 et 80°C de préférence pendant une durée comprise entre 1h et 12h, d) une étape de mise en forme de ladite pâte séchée, directement après l'étape c) de séchage, ladite étape d) de mise en forme étant réalisée en l'absence de liant, e) une étape de séchage du matériau mis en forme obtenu à l'issue de l'étape d) à une température comprise entre 20 et 200°C, de préférence pendant une durée comprise entre 1 et 20 heures, f) une étape de traitement hydrothermal du matériau mis en forme séché obtenu à l'issue de l'étape e), de préférence à une température comprise entre 50 et 200°C et de préférence pendant une durée comprise entre 30 min et 12 heures. Dans toute la suite du texte, on entend par liant, tout composé organique ou inorganique susceptible d'être ajouté dans l'étape d) de mise en forme, ou tout précurseurs de composés organiques ou inorganiques susceptibles de former un liant organique ou inorganique in situ, dans les conditions de l'étape d) de mise en forme Un avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'un matériau solide cristallisé mis en forme de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de bonne qualité, sans défauts apparents, et en particulier présentant une bonne cohésion ainsi qu'une tenue mécanique améliorée lorsque celui-ci est mis au contact d'une solution saumure ou d'une solution diluée et de préférence dans l'eau. Par « mis en forme », on entend que le matériau est solide et présente une cohésion suffisante lorsque le solide est mis au contact d'une solution de saumure pour qu'il ne perde sensiblement pas son intégrité physique, c'est-à-dire qu'il conserve sensiblement sa mise en forme. Plus précisément, un solide mis en forme au sens de l'invention couvre un solide conservant sa cohésion dans les conditions d'extraction de lithium définies dans les exemples.
La cohésion ainsi que la résistance mécanique du matériau mis en forme, par exemple par extrusion, préparés selon l'invention sont testées par l'intermédiaire d'un protocole de vieillissement accéléré sur table d'agitation, soit dans une saumure, soit dans l'eau. La table d'agitation est animée d'un mouvement unidirectionnel horizontal d'amplitude 4 cm à une vitesse de 190 mouvements par minute. Les solides mis en forme sont ainsi agités pendant une durée totale de 168h. A l'issue de ces 168h, le mélange solide mis en forme-saumure ou eau est tamisé à l'aide d'une grille de 315 pm. Puis les solides mis en forme restant sur le tamis sont lavés avec le milieu utilisé pendant l'agitation. La fraction liquide ainsi obtenue, contenant de fines particules solides (diamètre inférieur à 315 pm) en suspension, est filtrée à l'aide d'un Büchner équipé d'un papier filtre dont les pores ont une dimension de 0,45 pm. Le gâteau formé par l'agglomération des fines particules est lavé avec de l'eau déminéralisée. Le résidu solide ainsi obtenu est séché en étuve à 50°C jusqu'à stabilisation de la masse. Le rapport de la masse de résidu solide sur la masse de solides mis en forme initiale est alors calculé, donnant accès à un pourcentage de destruction des solides mis en forme. Le pourcentage de destruction des matériaux préparés selon l'invention permet d'apprécier la cohésion desdits matériaux. Une bonne cohésion est notamment obtenue pour les matériaux dont le pourcentage de destruction est inférieur à 60%, et de préférence inférieur à 50%, lorsque ceux-ci sont mis au contact d'une solution de saumure ou de toutes autres solutions diluées et en particulier de l'eau. Les matériaux préparés selon l'invention présentent par ailleurs une tenue mécanique améliorée par rapport aux matériaux de l'art antérieur.
Par « tenue mécanique améliorée », on entend que les matériaux préparés selon l'invention présentent un pourcentage de destruction, lorsqu'ils sont mis au contact d'une solution de saumure ou de toutes autres solutions diluées et en particulier de l'eau, inférieur à 40% et de préférence inférieur à 30%. Un autre avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'un matériau solide cristallisé mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, de formule LiC1.2A1(OH)37n1-120 avec n étant compris entre 0,01 et 10, présentant pas ou peu de fissures qui pourraient provoquer un gonflement néfaste à la cohésion et à la tenue mécanique du matériau lorsque celui-ci est mis au contact d'une solution saumure ou d'une solution diluée et de préférence dans l'eau.
La présente invention a également pour objet un procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide cristallisé mis en forme de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, préparé selon le nouveau procédé de préparation selon l'invention. Un avantage du procédé d'extraction selon l'invention est de permettre l'extraction sélective du lithium à partir d'une solution saline et d'obtenir ainsi un facteur d'épuration élevé par rapport à la solution saline initiale, calculé comme étant le rapport X/Li qui est égal au rapport molaire de concentrations X/Li dans la solution saline initiale divisé par le rapport molaire de concentrations X/Li dans la solution finale, X étant choisi parmi le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le bore (B), le soufre (S) et le strontium (Sr).
La présente invention a également pour objet un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(011)3,n1-120 avec n étant compris entre 0,01 et 10, par exemple sous forme d'extrudés, susceptible d'être obtenu selon un procédé de l'invention. La présente invention a également pour objet un dispositif d'extraction de lithium de solution(s) saline(s). Le dispositif selon l'invention met ainsi en oeuvre le procédé d'extraction selon l'invention. Description de l'invention Conformément à l'invention, au moins une source d'alumine et au moins une source de lithium sont mélangées en milieu aqueux pour obtenir une suspension dans l'étape a). De préférence, la source d'alumine est le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3. Le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3peut avantageusement être commercial. De préférence, le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3est préparé par précipitation de trichlorure d'aluminium (AIC13) et de soude (NaOH).
Dans ce cas, ladite source d'alumine et de préférence le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3 est préparé préalablement au mélange avec au moins une source de lithium. Le trichlorure d'aluminium AlC13 et la soude NaOH sont avantageusement mélangés en présence d'eau pour former un précipité qui est avantageusement filtré et lavé au moins une fois. Le précipité obtenu est ensuite mélangé selon l'étape a) avec au moins une source de lithium pour obtenir une suspension. La ou les source(s) de lithium peu(ven)t être tout composé comprenant l'élément lithium et pouvant libérer cet élément en solution aqueuse sous forme réactive. De préférence, la ou les source(s) de lithium est (sont) choisie(s) parmi les sels de lithium et de manière préférée parmi le chlorure de lithium (LiCI), l'hydroxyde de lithium (Li0H), le nitrate de Lithium (LiNO3), le sulfate de lithium (Li2504) et le carbonate de lithium (Li2CO3), pris seuls ou en mélange.
De manière très préférée, la source de lithium est le chlorure de lithium (LiCI). De préférence, au moins une source d'alumine et au moins une source de lithium sont mélangées en présence d'eau pour obtenir une suspension dans l'étape a). De préférence, ladite étape a) de mélange opère sous agitation vigoureuse.
De préférence, ladite étape a) de mélange est mise en oeuvre à une température comprise entre 40 et 120°C et de manière préférée entre 60 et 100°C, de préférence pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures, de préférence entre 1 et 8 heures, de manière préférée entre 1 et 6 heures et de manière plus préférée entre 1 et 3 heures.
Conformément à l'invention, la suspension obtenue à l'issue de l'étape a) subit une étape b) de filtration pour obtenir une pâte. De préférence, la filtration est réalisée sur un filtre Büchner, par déplacement d'eau. Conformément à l'invention, la pâte obtenue à l'issue de l'étape b) est séchée 15 dans une étape c) de séchage à une température comprise entre 20 et 80°C, pendant une durée par exemple comprise entre 1h et 12h. De préférence, ladite étape de séchage opère, de manière préférée en étuve, à une température comprise entre 20 et 60°C et de manière très préférée entre 30 et 50°C, pendant une durée comprise par exemple entre 1h et 10h. 20 Les conditions opératoires de ladite étape c) de séchage permettent l'obtention d'une pâte séchée présentant une perte au feu (PAF) comprise entre 45 et 75% et de préférence entre 50 et 70%. La perte au feu obtenue permet la mise en forme par exemple par extrusion de la pâte séchée dans de bonnes conditions et l'obtention d'extrudés résistants et sans défauts, c'est à dire sans fissures. 25 De manière à déterminer la PAF avant l'étape de mise en forme, une partie de la pâte obtenue est prélevée et mise à l'étuve pendant 6 h à 120°C. La PAF est obtenue par différence entre la masse de l'échantillon avant et après passage à l'étuve. Conformément à l'invention, ladite pâte séchée obtenue à l'issue de l'étape c) de séchage subit, directement après l'étape c) de séchage, une étape d) de mise en forme, 30 ladite étape de mise en forme étant réalisée en l'absence de liant. De préférence, ladite étape d) de mise en forme est réalisée en l'absence de liants choisis parmi les liants inorganiques, tels que par exemples les liants hydrauliques ou les liants inorganiques susceptibles d'être générés dans les conditions de ladite étape d) par ajout de précurseurs de liants inorganiques, et les liants organiques, tels que par exemple 35 les paraffines ou les polymères.
Avantageusement, le matériau solide selon l'invention ne comprend pas de liant, notamment choisis parmi les liants inorganiques et les liants organiques. De préférence, ladite étape d) de mise en forme est réalisée selon les méthode connues de l'homme du métier, telles que par exemple par extrusion, par pastillage, par la méthode de la coagulation en goutte (oil-drop), par granulation au plateau tournant. De manière très préférée, ladite étape d) de mise en forme est réalisée par extrusion. Dans le cas où ladite étape d) est réalisée par extrusion, ladite pâte séchée ne subit pas d'étapes intermédiaires entre ladite étape c) de séchage et ladite étape d) de mise en forme par extrusion, de préférence aucune étape de malaxage et de manière plus préférée aucune étape de malaxage acide/basique. Ainsi, de manière plus préférée, ladite étape d) de mise en forme par extrusion est réalisée sans ajout d'acide ni de base à la pâte séchée introduite dans ladite étape d). Ladite étape d) de mise en forme par extrusion est avantageusement réalisée de manière connue de l'Homme du métier.
En particulier, la pâte séchée issue de l'étape c) de séchage passe avantageusement à travers une filière, à l'aide par exemple, d'un piston ou d'une extrudeuse continue double vis ou monovis. Le diamètre de la filière de l'extrudeuse est avantageusement variable et est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,2 et 3 mm et de manière préférée entre 0,3 et 2 mm. La forme de la filière, et par conséquent, la forme du matériau obtenu sous forme d'extrudé, est avantageusement cylindrique, et peut-être par exemple de section circulaire, annulaire, trilobée, quadrilobée ou bien multilobée. Le matériau solide mis en forme selon l'invention peut ainsi présenter de telles caractéristiques. Notamment le matériau solide mis en forme présente une section ou diamètre sensiblement équivalent à celui de la filière de l'extrudeuse, et avantageusement compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,2 et 3 mm et de manière préférée entre 0,3 et 2 mm. Ainsi le matériau mis en forme selon la présente invention peut être filaire de longueur par exemple comprise entre 1 et 10 cm, et encore par exemple entre 2 et 6 cm. La forme peut être creuse (tubulaire) ou pleine. Conformément à l'invention, le matériau mis en forme et par exemple les extrudés obtenus à l'issue de l'étape d) subi(ssen)t une étape e) de séchage à une température comprise entre 20 et 200°C pendant une durée de préférence comprise entre 1 heure et 20 heures, pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés. De préférence, ladite étape e) de séchage est mise en oeuvre à une température comprise entre 20 et 100°C, de manière préférée entre 20 et 80°C et de manière très g préférée entre 20 et 60°C, pendant une durée comprise entre 1 et 18 heures, de préférence entre 5 et 14 heures et de manière préférée entre 8 et 14 heures. Les conditions spécifiques de ladite étape e) de séchage permettent l'obtention d'un matériau solide cristallisé présentant la phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 désirée.
Ladite étape e) de séchage est avantageusement réalisée selon les techniques connues de l'Homme du métier et de préférence en étuve. Conformément à l'invention, le matériau mis en forme séché et par exemple les extrudés obtenu(s) à l'issue de l'étape e) est (sont) soumis à une étape de traitement hydrothermal de préférence à une température comprise entre 50 et 200°C et de préférence pendant une durée comprise entre 30 min et 12 heures. De préférence, ladite étape f) est mise en oeuvre à une température comprise entre 70 et 200°C, de manière préférée entre 70 et 180°C, et de manière très préférée entre 80 et 150°C, par exemple pendant une durée comprise entre 30 minutes et 120 heures.
Ladite étape f) de traitement hydrothermal est avantageusement réalisée selon une technique connue de l'homme du métier. Selon un mode de réalisation préféré, ladite étape f) est réalisée en autoclave, sous pression autogène et sous une atmosphère saturée en eau. De préférence, ladite étape f) est réalisée en introduisant un liquide au fond de l'autoclave, ledit liquide étant choisi parmi l'eau, seule ou en mélange avec au moins un acide, une base ou un sel de lithium. De préférence, le matériau mis en forme et séché, par exemple les extrudés, obtenu(s) à l'issue de l'étape e) ne sont pas en contact avec le liquide au fond de l'autoclave. Dans le cas où de l'eau est introduite dans l'autoclave en mélange avec un acide, l'acide est avantageusement choisi parmi l'acide nitrique, l'acide chlorhydrique, l'acide sulfurique et l'acide carboxylique. Dans le cas où de l'eau est introduite dans l'autoclave en mélange avec une base, la base est avantageusement choisie parmi l'hydroxyde de lithium, l'hydroxyde de sodium, l'hydroxyde de potassium et l'ammoniaque.
Dans le cas où de l'eau est introduite dans l'autoclave en mélange avec un sel de lithium, le sel de lithium est avantageusement choisi parmi le chlorure de lithium et le carbonate de lithium. De préférence, ladite étape f) est mise en oeuvre en présence d'une atmosphère humide comprenant une teneur en eau comprise entre 20 et 100% poids, et de 35 préférence entre 50 et 100% en poids, et de préférence entre 80 et 100% poids.
Selon un mode de réalisation, ladite étape f) peut être réalisée en étuve climatique, en présence d'un flux d'air humide contenant entre 20 et 100% poids d'eau de préférence entre 50 et 100% poids et de manière préférée entre 80 et 100% poids d'eau, ou dans un four opérant sous un flux d'air humide contenant entre 20 et 100% poids d'eau de préférence entre 50 et 100% poids et de manière préférée entre 80 et 100% poids d'eau selon les méthodes connues de l'homme du métier. L'étape f) de traitement hydrothermal en atmosphère contrôlée permet l'obtention d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, présentant une bonne tenue et une bonne résistance mécanique lorsque celui-ci est placé au contact d'une saumure ou d'une solution diluée et de préférence de l'eau. A l'issue de ladite étape f), le matériau mis en forme par exemple sous forme d'extrudés obtenu est ensuite avantageusement récupéré et peut éventuellement être lavé.
Ledit matériau mis en forme, par exemple les extrudés, obtenu(s) à l'issue de l'étape f) peu(ven)t ensuite éventuellement être soumis à une étape de séchage g), ladite étape de séchage opérant de préférence à une température comprise entre 15 et 50°C pendant une durée par exemple comprise entre 1h et 12 heures pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,r1H20 mis en forme.
Ladite étape g) de séchage est avantageusement réalisée selon les techniques connues de l'Homme du métier, et de préférence en étuve. Le procédé selon la présente invention permet donc l'obtention d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de préférence entre 0,1 et 5 et de manière préférée entre 0,1 et 1, par exemple sous forme 25 d'extrudés de section ou diamètre compris entre 0,2 et 5 mm, de préférence entre 0,3 et 4 mm, de manière préférée entre 0,3 et 3 mm, de manière très préférée entre 0,3 et 2 mm et de manière encore plus préférée entre 0,3 et 1,8 mm. Les meilleurs résultats en terme de tenue mécanique et de cohésion du matériau solide cristallisé obtenus selon le procédé de préparation selon l'invention sont obtenus 30 dans le cas d'extrudés de section ou diamètre compris entre 0,2 et 5 mm et de préférence compris entre 0,3 et 1,8 mm, lesdits extrudés ayant été obtenus grâce à la combinaison d'une étape de mise en forme spécifique telle que décrite ci-dessus et d'une étape de séchage e) finale réalisée à une température comprise entre 20 et 200°C, de préférence comprise entre 20 et 60°C et en particulier à 40°C, pendant une durée comprise entre 1 et 35 20 heures, de préférence comprise entre 5 et 14 heures, de préférence entre 8 et 14 heures et en particulier pendant 8 heures.
Le matériau solide cristallisé de formule L1C1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, préparé selon l'enchainement des étapes a), b), c), d) e), f) et g) du procédé de préparation selon l'invention peut être caractérisé selon les techniques suivantes : l'adsorption d'azote pour la détermination de la surface spécifique selon la méthode BET; la diffractométrie de rayons X, dans le domaine d'angle de diffraction 20 = 0,8 à 400 ± 0,02° en géométrie de réflexion pour identifier la structure dudit matériau et l'analyse élémentaire. Le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, présente avantageusement une surface spécifique 10 mesurée selon la méthode BET comprise entre 1 et 30 m2/g et de préférence entre 1 et 20 m2/g. Le diagramme de diffraction de rayon X du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, de préférence entre 0,1 et 0,5 et de manière préférée entre 0,1 et 0,4, obtenu selon l'invention, mis en forme, 15 avantageusement sous forme d'extrudés, est caractéristique d'un matériau non amorphe et présente au moins les raies suivantes : 20 d(A) 11,505 7,69 20,195 4,39 23,065 3,85 35,937 2,50 39,948 2,26 55,406 1,66 63,243 1,47 64,349 1,45 Un léger décalage de ces raies et des rapports d'intensités peut être observés. 20 Ceci correspondant seulement à une quantité de Lithium insérée et d'atomes de chlore ou d'eau intercalés dans les feuillets qui diffère. Ces légères différences nlimpactant pas ni la bonne tenue des extrudés ni les capacités d'adsorption observées comme décrit ci-dessous.
Le procédé de préparation selon la présente invention permet donc l'obtention d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, par exemple sous forme d'extrudés, présentant à fa fois une surface spécifique BET faible, une bonne cohésion, et n'ayant pas de défaut apparent et présentant une bonne tenue et une bonne résistance mécanique lorsque celui-ci est placé au contact d'une saumure ou d'une solution diluée et de préférence dans l'eau. Les bonnes propriétés du matériau obtenu résultent de l'effet combiné de mise en forme, par exemple par extrusion d'une pâte, en l'absence de liant, directement, après une étape de séchage opérant dans des conditions spécifiques, de la mise en oeuvre d'une étape de séchage suivant fa mise en forme, opérant également dans des conditions spécifiques et également de la mise en oeuvre d'une étape de traitement hydrothermal final opérant de préférence en autoclave. La présente invention a également pour objet un procédé d'extraction du lithium à partir d'une solution saline utilisant ledit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, préparé selon l'invention. Ladite solution saline utilisée dans le procédé d'extraction selon l'invention comprend avantageusement une concentration en lithium comprise entre 0,001 mol/L et 0,5 mol/L, de préférence entre 0,02 mol/L et 0,3 mol/L. Ladite solution saline contient également d'autres espèces, telles que par exemple les espèces choisies parmi la liste suivante : Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, F, Cl, Br, 1, 804, CO3, NO3, et HCO3. Ladite solution saline peut avantageusement être saturée en sels ou non. Ladite solution saline peut être toute solution saline naturelle, concentrée ou issue d'un procédé d'extraction ou de transformation du lithium. Par exemple, ladite solution saline utilisée dans le procédé d'extraction selon l'invention peut avantageusement être choisie parmi les saumures de lacs salés ou de sources géothermales, les saumures soumises à une évaporation pour obtenir des saumures concentrées en lithium, l'eau de mer, les effluents des usines de production de cathodes, ou de production de chlorure ou d'hydroxyde de lithium et les effluents des procédé d'extraction du lithium à partir de minéraux. Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention est de préférence un procédé d'extraction sélective du lithium. En effet, il permet la séparation du lithium des métaux alcalins, de préférence le sodium (Na), et le potassium (K) et des alcalino-terreux, de préférence le magnésium (Mg), le calcium (Ca) et le strontium (Sr), présents en quantité massive dans les solutions salines traitées dans ledit procédé d'extraction.
Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention permet également la séparation sélective du lithium des autres composés tels que le bore et les sulfates. Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre dans une unité comprenant au moins une colonne, fa ou lesdites colonnes comprenant au moins un lit dudit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)31nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, mis en forme et préparé selon le procédé de préparation selon l'invention. De préférence, ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant entre une et six colonnes, et de manière préférée entre deux et trois colonnes, comprenant au moins un lit du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2AI(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1. Ledit procédé d'extraction du lithium comprend avantageusement au moins les étapes suivantes : une étape d'activation dudit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, une étape de chargement dudit matériau activé par adsorption réalisée par passage de ladite solution saline sur ledit matériau activé, au moins une étape de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau, une étape de désorption du lithium réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de sel de lithium sur ledit matériau pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium. De préférence, ladite étape d'activation du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, par exemple sous forme d'extrudés, est réalisée une seule fois lors de la mise en colonne du matériau synthétisé et mis en forme selon le procédé de préparation selon l'invention. Ladite étape d'activation permet d'activer les sites destinés à adsorber sélectivement le lithium. De préférence, ladite étape d'activation est avantageusement réalisée par le passage ascendant ou descendant, et de préférence descendant, d'eau ou d'une solution de sel de lithium ayant une concentration comprise entre 0,001 mol/L et 0,1 mol/L, de préférence entre 0,001 mol/L et 0,05 mol/L et de manière préférée entre 0,01 et 0,04 mol/L. De manière préférée, le sel de lithium utilisé en solution dans ladite étape d'activation est choisi parmi le chlorure de lithium (LiCI), le nitrate de lithium et le bromure de lithium.
De manière très préférée, le sel de lithium utilisé en solution dans ladite étape d'activation est le chlorure de lithium (LiCI). Selon un mode de réalisation préféré, ledit matériau solide cristallisé activé subit à l'issue de l'étape d'activation une étape de lavage avec une solution de chlorure de lithium (LiCI). Ladite étape d'activation est avantageusement réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et de préférence entre 10°C et 60°C, et de manière préférée entre 10°C et 30°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h.
La quantité de solution nécessaire à l'activation est avantageusement comprise entre 1 BV et 30 BV, de préférence entre 2 BV et 20 BV. On entend par BV, le volume occupé par le lit du solide dans la colonne. Ladite étape de chargement dudit matériau activé par adsorption est avantageusement réalisée par passage ascendant ou descendant, et de préférence ascendant, de la solution saline traitée dans le procédé d'extraction selon l'invention, sur ledit matériau activé. Ladite étape de chargement est avantageusement effectuée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h.
La quantité de solution nécessaire pour saturer ledit matériau dépend de la capacité d'adsorption dudit matériau et de la concentration en lithium de la solution saline. La capacité d'adsorption dudit matériau est comprise entre 1 et 50, de préférence entre 1 et 30 et de manière préférée entre 1 et 10 mg de Li/g de matériau solide sec. Dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en 25 oeuvre dans une unité comprenant deux colonnes, la première colonne est avantageusement saturée par le lithium lors de ladite étape de chargement. La deuxième colonne, recevant le flux de sortie de la première colonne, est avantageusement chargée jusqu'à l'obtention d'une fuite en lithium ne dépassant pas 10% de la concentration en lithium du flux d'entrée et de préférence 5%, permettant ainsi de maximiser le rendement 30 de récupération en lithium. Dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant trois colonnes, la troisième colonne, déjà saturée en lithium, est consacrée aux étapes de lavage puis de désorption du lithium, décrites ci-après, pendant le chargement des deux autres colonnes. 35 La première fraction du flux de sortie de ladite étape de chargement par adsorption, avantageusement entre 0 BV et 1 BV, correspond à l'élimination de l'imprégnant issu de l'étape d'activation du matériau solide. Cette fraction peut être considérée comme un effluent ou recyclée, et de préférence recyclée comme flux d'entrée de l'étape de désorption. Dans le cas du traitement d'une saumure naturelle ou d'eau de mer, au-delà de 1 BV, l'intégralité du flux de sortie de ladite étape de chargement par 5 adsorption, appelé ci-après raffinat qui n'a subi aucun traitement chimique, est avantageusement et de préférence renvoyé vers le gisement de solution saline d'origine. A l'issue de l'étape de chargement par passage de la solution saline traitée dans le procédé selon l'invention sur le matériau activé, la solution saline imprègne ledit matériau activé. 10 La solution saline imprégnant le matériau activé est ensuite lavée dans au moins une étape de lavage par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau. Ladite ou lesdites étape(s) de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau, est (sont) avantageusement réalisée(s) par passage ascendant ou descendant d'une solution de lavage sur ledit matériau, et de préférence descendant. 15 De préférence, ladite solution de lavage est choisie parmi l'eau et une solution aqueuse de sel de sodium et de préférence de chlorure de sodium (NaC1), comprenant éventuellement un sel de lithium et de préférence le chlorure de lithium (LiCI), ladite solution présentant avantageusement une concentration en sel de sodium et de préférence en chlorure de sodium (NaCI), supérieure à 2 mol/L, de préférence comprise 20 entre 2 mol/L et la saturation et une concentration en sel de lithium et de préférence en chlorure de lithium WC», comprise entre 0 mol/L et 2 mol/L. Selon un mode de réalisation préféré, ladite solution saline imprégnant le matériau activé subit une étape finale de lavage par passage d'une solution de lavage aqueuse de chlorure de sodium (NaCl) comprenant éventuellement du chlorure de lithium (LiCI), sur 25 ledit matériau. Ladite étape de lavage est avantageusement réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution nécessaire au lavage est comprise entre 0,1 BV et 10 BV, typiquement dans la gamme 30 0,5 BV à 5 BV. Le flux de sortie de ladite étape de lavage est considéré comme un effluent ou est avantageusement recyclé, et de préférence recyclé à l'entrée de l'étape de chargement ou directement à l'entrée de la deuxième colonne dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant au moins deux 35 colonnes.
Ladite étape de lavage permet le lavage de la solution saline imprégnée dans ledit matériau lors de l'étape de chargement dudit matériau par adsorption, tout en limitant la désorption du lithium. Dans le cas où ladite solution de lavage est une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium (NaCI), ladite étape de lavage permet non seulement d'éliminer la solution saline imprégnée dans ledit matériau lors de l'étape de chargement dudit matériau par adsorption mais aussi de désorber les éléments tels que le bore, les sulfates, les alcalins autres que le lithium et les alcalino-terreux. L'étape de désorption du lithium est ensuite réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de chlorure de lithium (LiCI) sur ledit matériau à l'issue de l'étape de lavage pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium. De préférence, ladite étape de désorption est réalisée par passage ascendant ou descendant, et de préférence descendant, d'eau ou d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) contenant de 0,001 mol/L à 2 mol/L de LiCI, et de préférence de 0,01 mol/L à 1 mol/L. Ladite étape de désorption est avantageusement réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution de chlorure de lithium (LiCI) nécessaire à la désorption est 20 avantageusement comprise entre 0,01 et 10 BV, et de préférence entre 0,05 BV et 5 BV. Le flux de sortie de ladite étape de désorption du lithium génère le produit final du procédé, appelé ébat. L'éluat est avantageusement récupéré entre 0 BV et 4 BV, et de préférence entre 0,2 BV et 3 BV. 25 L'ensemble des autres fractions du flux de sortie de cette étape ne constituant pas le produit final appelé éluat, est considéré comme un effluent ou est avantageusement recyclé, et de préférence recyclé à l'entrée de l'étape de lavage ou de l'étape de chargement. L'éluat obtenu à l'issue du procédé d'extraction selon l'invention est une solution 30 contenant rnajoritairement les éléments Li, Na et Cl ainsi que des impuretés de préférence choisies parmi K, Mg, Ca, Sr, B ou 804. L'éluat est ensuite avantageusement concentré puis purifié pour obtenir un sel de lithium de haute pureté. Ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention permet l'extraction sélective 35 du lithium à partir d'une solution saline et permet ainsi d'obtenir un facteur d'épuration élevé par rapport à la solution saline initiale, calculé comme étant le rapport X/Li qui est égal au rapport molaire de concentration X/Li dans la solution saline initiale divisé par le rapport molaire de concentration X/Li dans l'éluat, X étant choisi parmi le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le bore (B), le soufre (S) et le strontium (Sr).
La présente invention couvre également un dispositif d'extraction de lithium caractérisé en ce qu'il comprend une unité comprenant au moins une colonne, ladite colonne comprenant au moins une garniture comprenant le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2Al(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de préférence entre 0,1 et 0,5 et de manière préférée entre 0,1 et 0,4, mis en forme, tel que défini selon la présente invention. Plus particulièrement, l'invention couvre un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'extraction de lithium selon l'invention. Encore plus précisément, le dispositif de la présente invention comprend des unités ou moyens mettant en oeuvre les différentes étapes du procédé d'extraction de lithium selon l'invention.
Par « selon l'invention » ou des termes équivalents, on entend couvrir tout mode de réalisation, variante, caractéristique avantageuse ou préférée, pris seul ou selon l'une quelconque de leurs combinaisons, sans aucune limitation. Description des figures: La figure 1 représente le diagramme de diffraction des rayons X du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple 5 selon l'invention. L'invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif.
Exemples: Exemple 1: (comparatif) On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion, technique mise en oeuvre selon les connaissances de l'homme du métier et en ce que le procédé ne comprend pas d'étape de traitement hydrothermal final. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bêcher refroidi par un bain de glace, une solution contenant 326 ml d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (A1C13) est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium (NaOH) sont ajoutés lentement. Ce gâteau est mis en suspension dans un bécher de 3 L avec 320 mL d'eau. 2/ Addition du chlorure de lithium LiCl.
On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium Lia fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 80°C pendant 8 h suivent les 2 premières étapes.
La pâte séchée obtenue est ensuite mise en forme selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion. La pâte séchée est introduite dans un malaxeur de type Brabender. L'eau acidifiée avec de l'acide nitrique est ajouté en 4 minutes, sous malaxage à 20 tours/min. Le malaxage acide est poursuivi pendant 10 minutes. Une étape de neutralisation est ensuite réalisée par ajout d'une solution ammoniacale dans le malaxeur et le malaxage est poursuivi pendant 3 minutes. Le malaxage est réalisé avec un taux d'acide total, exprimé par rapport à la pâte séchée de 2 %, et un taux de neutralisation de 20 %. A l'issue du malaxage, aucune pâte cohésive n'a pu être obtenue. Le solide mouillé obtenu est mis en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1 mm de diamètre. Aucun extrudé intact n'a pu être obtenu. Les joncs obtenus sont très friables et n'ont aucune tenue dans la saumure. Exemple 2 (comparatif) : On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(01-1)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée par malaxage - extrusion en présence d'un liant inorganique de la famille des liants hydraulique ajouté pendant la phase de malaxage et en ce que le procédé ne comprend pas d'étape de traitement hydrothermal final. 37,7g du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0.01 et 1 est obtenu selon le procédé décrit dans l'exemple 1 à la différence près que l'étape de mise en forme est réalisée par malaxage - extrusion en présence d'un liant inorganique.
La pâte séchée obtenue à l'issue du premier séchage de l'exemple 1 est introduite dans un malaxeur de type Brabender en présence de 21,8 g d'eau et en présence de 4,6 g de ciment Dyckerhoff en tant que liant hydraulique et est simplement malaxé. La pâte obtenue est mise en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1 mm de diamètre. Les extrudés obtenus à l'issue de l'étape de mise en forme sont ensuite séchés en étuve à 40°C pendant 12h. Les extrudés obtenus à l'issue de l'étape de mise en forme ont également été séchés en étuve climatique à 25 °C pendant 48h sous air saturé avec 98% d'eau.
Les deux méthodes de séchage ont menés au même résultat : les extrudés obtenus sont friables et présentent de nombreuses fissures. Exemple 3: (comparatif) On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de calcination des extrudés est réalisée selon les connaissances de l'homme du métier à une température au-dessus de 500°C et en ce que le procédé ne comprend pas d'étape de traitement hydrothermal final. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bêcher refroidit par un bain de glace, une solution contenant 326 ml d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté AlC13 est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium NaOH sont ajoutés lentement. Ce gâteau est mis en suspension dans un bêcher de 3 L avec 320 mL d'eau. 2/ Addition du chlorure de lithium Lia.
On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium LiCI fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 40°C pendant 8 h suivent les 2 premières étapes.
La pâte obtenue est mise en forme directement à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 0,8 mm de diamètre, sans étape de malaxage préalable. Des extrudés présentant un aspect correct sont obtenus. Ces extrudés sont calcinés à 500°C pendant 4 h. Le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu montre une phase non désirée de type Li0,5A1204 qui est un produit issu de la décomposition de la phase LiC1.2A1(OH)3,nH20.
Exemple 4 (comparatif) : On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse dans lequel l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée directement après l'étape de séchage, sans étape de malaxage préalable mais non conforme à l'invention en ce que le procédé ne comprend pas d'étape de traitement hydrothermal final. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bécher refroidit par un bain de glace, une solution contenant 326 mi d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (AIC13) est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium (NaOH) sont ajoutés lentement. Ce gâteau est mis en suspension dans un bécher de 3 L avec 320 mL d'eau. 2/ Addition du chlorure de lithium Lia. On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium Lia fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 40°C pendant 8 h suivent les 2 premières étapes. La pâte obtenue est mise en forme directement à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), sans aucune étape de malaxage intermédiaire de ladite pâte. L'extrudeuse piston est équipée d'une filière cylindrique de 0.8 mm de diamètre. Ces extrudés sont ensuite séchés à 40°C pendant 12h en étuve. Les extrudés obtenus ne subissent pas d'étape de traitement hydrothermal en autoclave selon l'invention.
Des extrudés du matériau solide de formule L1C1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 présentant une bonne cohésion et un aspect correct sont obtenus. Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)31nH20 avec n = 0,25. Les extrudés obtenus sont également caractérisés par les mesures suivantes : L'analyse élémentaire montre une bonne stoechiométrie Li/Al/CI correspondant à la composition d'une structure LiC1.2A1(OH)3,nH20 Al= 21,2 % masse ; Li= 4,2 % masse ; Cl; = 19% masse. Les extrudés obtenus présentent une surface spécifique : SBET = 3 m2/g.
Exemple 5 (selon l'invention) : On prépare un matériau solide de formule L1C1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse conforme à l'invention, dans lequel l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée directement après l'étape de séchage, sans étape de malaxage préalable et dans lequel les extrudés obtenus sont soumis à une étape de traitement hydrothermal final en présence d'eau. Les extrudés sont préparés comme dans l'exemple 4 jusqu'à l'étape de séchage en étuve à 40°C pendant 12h. Les extrudés obtenus sont ensuite soumis à une étape de traitement hydrothermal en autoclave comprenant de l'eau. 10 g d'extrudés sont placés dans un panier placé dans un autoclave de 500m1. Dans le fond de l'autoclave sont mis 20 g d'eau distillée. Les extrudés ne sont pas en contact avec le liquide au fond de l'autoclave. Le traitement hydrothermal est opéré à une température de 100 °C pendant 6 h sous une atmosphère saturée en eau. Des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 présentant une bonne cohésion et un aspect correcte sont obtenus. Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 de la figure 1. Les extrudés obtenus sont également caractérisés par les mesures suivantes : L'analyse élémentaire montre une bonne stoechiométrie Li/Al/C1 correspondant à la composition d'une structure LiC1.2A1(OH)3,nH20 Al= 21,2 % masse ; Li= 4,2 % masse ; Cl;= 19 % masse. Les extrudés obtenus présentent une surface spécifique : SBET = 3 m2/g. Exemple 6 (selon l'invention) : On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse conforme à l'invention, dans lequel l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée directement après l'étape de séchage, sans étape de malaxage préalable et dans lequel les extrudés obtenus sont soumis à une étape de traitement hydrothermal final en présence d'un mélange d'eau et d'acide.
Les extrudés sont préparés comme dans l'exemple 4 à la différence près que les extrudés obtenus sont ensuite soumis à une étape de traitement hydrothermal en autoclave comprenant dans son fond un mélange d'eau et d'acide nitrique afin d'obtenir un pH égal à 3. 10 g d'extrudés sont placés dans un panier placé dans un autoclave de 500m1. Dans le fond de l'autoclave sont mis 20 g d'eau acidifiée. Les extrudés ne sont pas en contact avec le liquide au fond de l'autoclave.
Le traitement hydrothermal est opéré à une température de 100°C pendant 6h sous une atmosphère saturée en eau. Des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 présentant une bonne cohésion et un aspect correcte sont obtenus. Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide de formule L1C1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25. Les extrudés obtenus sont également caractérisés par les mesures suivantes : L'analyse élémentaire montre une bonne stoechiométrie Li/Al/CI correspondant à la composition d'une structure LiC1.2A1(OH)3,nH20 Al= 21,2 % masse ; Li= 4,2 % masse ; Cl;= 19 % masse. Les extrudés obtenus présentent une surface spécifique : SBET = 3 m2/g. Exemple 7 (selon l'invention) : On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)31nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse conforme à l'invention, dans lequel l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée directement après l'étape de séchage, sans étape de malaxage préalable et dans lequel les extrudés obtenus sont soumis à une étape de traitement hydrothermal final en présence d'un mélange d'eau et d'une base. Les extrudés sont préparés comme dans l'exemple 4 à la différence près que les 20 extrudés obtenus sont ensuite soumis à une étape de traitement hydrothermal en autoclave comprenant dans son fond un mélange d'eau et de soude afin d'atteindre un pH égal à 11. 10 g d'extrudés sont placés dans un panier placé dans un autoclave de 500m1. Dans le fond l'autoclave sont mis 20 g d'eau basique. Les extrudés ne sont pas en contact avec le liquide au fond de l'autoclave. 25 Le traitement hydrothermal est opéré à une température de 100°C pendant 6 h sous une atmosphère saturée en eau. Des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 présentant une bonne cohésion et un aspect correcte sont obtenus. Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des 30 rayons X des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25. Les extrudés obtenus sont également caractérisés par les mesures suivantes : L'analyse élémentaire montre une bonne stoechiométrie Li/Al/CI correspondant à la composition d'une structure LiC1.2A1(OH)3,nH20 Al= 21,2 % masse ; Li= 4,2 % masse ; Cl;= 19 % masse. 35 Les extrudés obtenus présentent une surface spécifique : SBET = 3 m2/g.
Exemple 8 : test de cohésion et de résistance mécanique par vieillissement accéléré sur table d'agitation. La résistance mécanique des extrudés peut être testée par l'intermédiaire d'un protocole de vieillissement accéléré sur table d'agitation dans deux milieux différents: 5g de matériau solide mis en forme et 25 mL de saumure naturelle sont placés dans un contenant cylindrique de capacité 60 mL. Ce contenant est fixé à la table d'agitation pendant toute la durée du test. La composition de la saumure naturelle utilisée lors de ce test est donnée dans le tableau 1.
Tableau 1: composition de la saumure naturelle utilisée pour le test de résistance mécanique Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Concentration 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 (mol/L) 5g de matériau solide mis en forme et 25 mL d'eau sont placés dans un contenant cylindrique de capacité 60 mL. Ce contenant est fixé à la table d'agitation pendant toute la durée du test. La table d'agitation est animée d'un mouvement unidirectionnel horizontal d'amplitude 4 cm à une vitesse de 190 mouvements par minute. Les solides mis en forme sont ainsi agités pendant une durée totale de 168h. A l'issue de ces 168h, le mélange solides mis en forme-saumure est tamisé à l'aide d'une grille de 315 pm. Puis [es solides mis en forme restant sur le tamis sont lavés avec le milieu utilisé pendant l'agitation (de la saumure dont la composition est indiquée dans le tableau 1 ou de l'eau). La fraction liquide ainsi obtenue, contenant de fines particules solides (diamètre inférieur à 315 pm) en suspension, est filtrée à l'aide d'un Büchner équipé d'un papier filtre dont les pores ont une dimension de 0,45 pm. Le gâteau formé par l'agglomération des fines particules est lavé avec de l'eau déminéralisée. Le résidu solide ainsi obtenu est séché en étuve à 50°C jusqu'à stabilisation de la masse. Le rapport de la masse de résidu solide sur la masse de solides mis en forme initiale est alors calculé, donnant accès à un pourcentage de destruction des solides mis en forme. Le pourcentage de destruction des solides mis en forme permet d'apprécier la cohésion des solides ainsi que leur résistance mécanique. Une bonne cohésion est notamment obtenue pour les solides dont le pourcentage de destruction est inférieur à 60%, et de préférence inférieur à 50%. Une tenue et résistance mécanique améliorée est notamment obtenue pour les solides dont le pourcentage de destruction est inférieur à 40%, et de préférence inférieur à 30%.
La résistance mécanique des extrudés obtenus selon les exemples 1 à 6 est testée au contact d'une solution de saumure naturelle et d'eau. Les différents résultats sont récapitulés dans le tableau 2. Tableau 2: protocole de MEF mise en oeuvre et aspect des extrudés 5 correspondants Exemples 1 (non-conforme) 2 (non-conforme) 3 (non-conforme) 4 (comparatif) Étape de mise en Malaxage acide et Malaxage avec un extrusion directe extrusion forme (MEF) basique + liant ciment + directe Extrusion sans liant extrusion Aspect des extrudés "joncs" qui se nombreuses Extrudés sans Extrudés au contact de la délitent vite fissures, extrudés défauts apparents visuellement saumure qui deviennent intacts poudre Traitement non non non non hydrothermal Phase en DRX - Li0,5A1204 LiC1.2A1(OH)3, nI-120 Test de cohésion en >60% >60% - 40% saumure % de destruction Test de cohésion en >60% >60% 50% eau % de destruction _ . . aDleau sui e Exemples 5 (conforme) 6 (conforme) 7 (conforme) Étape de mise en extrusion directe extrusion directe extrusion directe forme (MEF) Aspect des extrudés Extrudés Extrudés Extrudés au contact de la visuellement intacts visuellement intacts visuellement intacts saumure Traitement Autoclave Autoclave Autoclave hydrothermal eau Eau + acide Eau + base Phase en DRX LiC1.2A1(OH)3,n H20 LiC1.2A1(OH)3,nH20 LiC1.2A1(OH)3,nH20 Test de cohésion en 15% 15% 15% saumure 1)/0 de destruction Test de cohésion en 25% 25% 25% eau % de destruction Les extrudés obtenus selon l'exemple comparatif 4 et les exemples conformes 5, 6 et 7 comparativement à ceux obtenus selon des procédés de préparation non-conformes à l'invention, présentent visuellement une bonne cohésion, ne présentent pas ou peu de fissures qui pourraient provoquer un gonflement néfaste à la cohésion et à la tenue du matériau lorsque celui est mis au contact d'une solution saumure ou d'eau. Par ailleurs, les extrudés réalisés selon l'invention produisent moins de fines lors du test de tenue mécanique comparativement aux extrudés réalisés selon l'exemple comparatif 4. Exemple 9 (selon l'invention) : test des matériaux réalisés selon l'exemple comparatif 4 et les exemples conformes 5, 6 et 7 dans le procédé d'extraction du lithium selon l'invention. Le matériau selon l'invention préparé dans l'exemple 5est introduit dans une colonne double enveloppe pour constituer un lit cylindrique de diamètre 2,5cm et de hauteur 30cm.
Le matériau est alors activé à température ambiante T=20°C par une solution de chlorure de lithium LiCI de concentration 0,02 mol/L en flux descendant à un débit de 3 BV/h. Le volume total de solution de LiCI utilisé est de 14 BV. Une fois l'étape d'activation terminée, le chargement est effectué à l'aide d'une saumure naturelle dont la composition est donnée dans le tableau 3.
Tableau 3: composition de la saumure naturelle utilisée pour le chargement Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Concentration 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 (mol/L) Le chargement du matériau activé par adsorption est effectué par passage de la saumure naturelle sur ledit matériau activé, à une température de 60°C, la température étant maintenue à l'aide d'une circulation d'eau chauffée dans la double enveloppe, avec un débit de 3 BV/h en flux ascendant. Dans les conditions de l'exemple, la capacité d'adsorption du matériau est de 4,7 mg de Li/g de matériau solide sec pour un rendement de récupération du lithium de 93%. A l'issue du chargement, l'étape de lavage est pratiquée en utilisant une solution aqueuse de chlorure de sodium. Cette solution est préparée à la saturation du chlorure de 30 sodium NaCI à 20°C. La solution est ensuite chauffée à 60°C et passée à la même température en flux descendant dans la colonne à un débit de 3 BV/h pour une quantité totale de 4 BV. Puis on procède à l'étape de désorption du lithium par passage d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) de concentration 0,02 mol/L sur ledit matériau. Cette désorption est effectuée à une température de 20°C avec un débit de 3 BV/h et en flux descendant. L'éluat contenant le lithium est récupéré entre 0,75 et 2,25 BV. La composition de l'éluat ainsi que les facteurs d'épuration résultants sont résumés dans le tableau 4.
Tableau 4: composition de l'éluat et facteurs d'épuration X Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Composition 0,52 3,3.10-4 0,11 8,6.10-3 4,3.10-3 1,0.10-3 9,4.10-5 8,0.10-6 0,66 (mol/L) Facteur d'épuration 10 1000 - 15 10 50 500 90 10 Les concentrations en éléments dans la saumure et dans l'éluat sont déterminées par la méthode drICP optique connue de l'homme du métier. Les concentrations en Cl dans l'éluat et la saumure sont déterminées par la 10 méthode de chromatographie ionique connue de l'homme du métier. Le procédé d'extraction selon l'invention permet donc l'extraction sélective du lithium à partir de la saumure naturelle. La sélectivité par rapport au lithium est exprimée sous la forme d'un facteur d'épuration qui est égal au rapport molaire X/Li dans la saumure naturelle initiale divisé par le rapport molaire X/Li dans l'éluat et qui tient compte 15 de l'apport extérieur de lithium par la solution de lavage. Les résultats obtenus indiquent que le solide préparé selon l'invention est particulièrement sélectif en potassium (K), en strontium (Sr) en bore (B) et en sulfates (SO4). Les extrudés obtenus selon l'exemple comparatif 4 et les exemples conformes 5, 6 20 et 7 présentent une cohésion suffisante pour une utilisation en colonne. Par ailleurs, les matériaux préparés selon l'invention génèrent moins de fines lors de leur utilisation. Cette propriété est une amélioration car elle permet de limiter la perte de charge, de limiter la création de chemins préférentiels et de diminuer le taux de renouvellement du matériau. 25

Claims (20)

  1. REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), à une température 10 comprise entre 20 et 80°C de préférence pendant une durée comprise entre 1h et 12h, d) une étape de mise en forme de ladite pâte séchée, directement après l'étape c) de séchage, ladite étape d) de mise en forme étant réalisée en l'absence de liant, e) une étape de séchage du matériau mis en forme obtenu à l'issue de l'étape d) à une température comprise entre 20 et 200°C, de préférence pendant une durée comprise 15 entre 1 et 20 heures, f) une étape de traitement hydrothermal du matériau mis en forme et séché obtenus à l'issue de l'étape e), de préférence à une température comprise entre 50 et 200°C et de préférence pendant une durée comprise entre 30 min et 12 heures.
  2. 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la source d'alumine est le 20 trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3.
  3. 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la ou les source(s) de lithium est (sont) choisie(s) parmi le chlorure de lithium (LiCI), l'hydroxyde de lithium (Li0H) le nitrate de Lithium (LiNO3), le sulfate de lithium (Li2SO4) et le carbonate de lithium (L12CO3), pris seuls ou en mélange. 25
  4. 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la source de lithium est le chlorure de lithium (LiCI).
  5. 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel ladite étape a) de mélange est mise en oeuvre à une température comprise entre 40 et 120°C pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures. 30
  6. 6. Procédé selon l'une des revendications 1 à 5 dans lequel ladite pâte séchée ne subit pas d'étapes intermédiaires entre ladite étape c) de séchage et ladite étape d) de mise en forme
  7. 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel ladite étape e) de séchage est mise en oeuvre à une température comprise entre 20 et 100°C pendant une 35 durée comprise entre 1 heure et 18 heures.
  8. 8. Procédé selon l'une des revendications 1 à 7 dans lequel ladite étape f) est mise en oeuvre à une température comprise entre 80 et 150°C.
  9. 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel ladite étape f) est mise en oeuvre en présence d'une atmosphère humide comprenant une teneur en eau comprise 5 entre 80 et 100% poids.
  10. 10.- Matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, susceptible d'être obtenu selon un procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 9.
  11. 11. Procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide 10 de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec compris entre 0,01 et 10, préparé selon le procédé tel que défini selon l'une des revendications 1 à 9.
  12. 12. Procédé d'extraction selon la revendication 11 dans lequel ledit procédé d'extraction du lithium comprend au moins les étapes suivantes : une étape d'activation dudit matériau solide cristallisé de formule 15 LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, une étape de chargement dudit matériau activé par adsorption réalisée par passage de ladite solution saline sur ledit matériau activé, au moins une étape de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau, 20 une étape de désorption du lithium réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de sel de lithium sur ledit matériau pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium.
  13. 13. Procédé d'extraction selon la revendication 12 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée par le passage ascendant ou descendant d'eau ou d'une solution de chlorure 25 de lithium (LiCI) ayant une concentration comprise entre 0,001 mol/L et 0,1 mol/L.
  14. 14. Procédé d'extraction selon la revendication 12 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, où BV/h signifie volume occupé par le lit du solide dans une colonne, par heure. 30
  15. 15. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 12 à 14 dans lequel ladite étape de chargement est effectuée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, où BV/h signifie volume occupé par le lit du solide dans une colonne, par heure.
  16. 16. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 12 à 15 dans lequel ladite 35 solution de lavage utilisée dans l'étape de lavage est de l'eau ou une solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCI), comprenant éventuellement du chlorure de lithium (LiCI).
  17. 17. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 12 à 16 dans lequel ladite étape de lavage est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, où BV/h signifie volume occupé par le lit du solide dans une colonne, par heure.
  18. 18. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 12 à 17 dans lequel ladite étape de désorption est réalisée par passage ascendant ou descendant, d'eau ou d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) contenant de 0,001 mon à 2 mol/L de LiCI.
  19. 19. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 12 à 18 dans lequel ladite étape de désorption est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et à un 10 débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, où BV/h signifie volume occupé par le lit du solide dans une colonne, par heure.
  20. 20. Dispositif d'extraction de lithium caractérisé en ce qu'il comprend une unité comprenant au moins une colonne, ladite colonne comprenant au moins une garniture comprenant le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant 15 compris entre 0,01 et 10, mis en forme tel que défini selon la revendication 10.
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