JP2019099875A - Recovery method of lithium - Google Patents

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Abstract

To provide a method for more easily recovering lithium from a manufacturing process wastewater of a positive electrode material for lithium secondary battery containing lithium and aluminum, and reducing recovery cost.SOLUTION: There is provided a recovery method of lithium for recovering lithium from manufacturing process wastewater containing lithium and aluminum of a positive electrode material for lithium secondary battery, having an adsorption process S2 for selectively adsorbing a lithium ion to an ion exchange resin by contacting the ion exchange resin with the manufacturing process wastewater, and an elution process S3 for making a solution containing acid or sodium salt in contract with the ion exchange resin to which the lithium ion is selectively adsorbed in the adsorption process S2 to elute the lithium ion from the ion exchange resin, in which the ion exchange resin is a weakly acidic cation exchange resin having a carboxyl group or a sodium salt type functional group thereof.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、リチウム二次電池用正極材料のリチウムとアルミニウムを含有する製造工程排水からリチウムを回収するリチウムの回収方法に関する。   The present invention relates to a lithium recovery method for recovering lithium from manufacturing process waste water containing lithium and aluminum of a positive electrode material for a lithium secondary battery.

リチウムは陶器やガラスの添加剤、鉄鋼連続鋳造用のガラスフラックス、グリース、医薬品、電池等、産業において広く利用されている。特に、リチウム二次電池はエネルギー密度が高く、電圧が高いことから、最近ではノートパソコンなどの電子機器のバッテリーや電気自動車・ハイブリッド車の車載バッテリーとしての用途が拡大しており、需要が急増している。   Lithium is widely used in industries such as additives for pottery and glass, glass flux for continuous casting of steel, grease, medicine, battery and the like. In particular, since lithium secondary batteries have high energy density and high voltage, their use as batteries for electronic devices such as laptop computers and as car batteries for electric vehicles and hybrid vehicles has recently expanded, and demand is rapidly increasing. ing.

最近では資源の有効活用のため、リチウム二次電池用正極材料の製造工程で排出される排水(以下、「製造工程排水」ともいう)からリチウムを回収することが推進されている。   In recent years, in order to effectively utilize resources, it has been promoted to recover lithium from waste water discharged in the manufacturing process of a positive electrode material for lithium secondary batteries (hereinafter, also referred to as “manufacturing process drainage”).

例えば、ニッケル系正極材料(NCA)における製造工程排水にはリチウムとアルミニウムが含まれている。この製造工程排水からリチウムを回収するにはリチウムとアルミニウムを分離する必要があるが、分離方法として特許文献1に中和沈殿法が、特許文献2及び3に溶媒抽出法が提案されている。   For example, lithium and aluminum are contained in the manufacturing process drainage in the nickel-based positive electrode material (NCA). Although it is necessary to separate lithium and aluminum in order to recover lithium from this manufacturing process waste water, the neutralization precipitation method is proposed in Patent Document 1 as a separation method, and the solvent extraction method is proposed in Patent Documents 2 and 3.

特開2004−33984号公報JP 2004-33984 A 特開2012−211386号公報JP, 2012-211386, A 特開2002−121623号公報Japanese Patent Application Publication No. 2002-121623

しかし、特許文献1の中和沈殿法及び特許文献2の溶媒抽出法ではアルミニウム分離後の製造工程排水にリチウムが残留する。製造工程排水に残留したリチウム濃度は低いため、リチウムを炭酸塩又は水酸化物塩として回収するには製造工程排水を蒸発させリチウムを濃縮する必要がある。このため、リチウム回収のコストが高くなり経済的に好ましくないという問題があった。   However, in the neutralization precipitation method of Patent Document 1 and the solvent extraction method of Patent Document 2, lithium remains in the production process wastewater after aluminum separation. Since the concentration of lithium remaining in the manufacturing process wastewater is low, in order to recover lithium as a carbonate or hydroxide salt, it is necessary to evaporate the manufacturing process wastewater and concentrate the lithium. For this reason, there is a problem that the cost of recovering lithium increases and it is economically unpreferable.

特許文献3の溶媒抽出法では、クラウンエーテルを用いて製造工程排水からリチウムを分離し、その後でクラウンエーテルからリチウムを逆抽出する。この方法は逆抽出時にリチウムの濃縮が可能であるため、蒸発による濃縮を必要とせずコスト的に有利である。しかし、クラウンエーテルが高価であること、溶媒抽出法は排水処理が必要となり工程が複雑になることからリチウム回収のコストが高くなるという問題があった。   In the solvent extraction method of Patent Document 3, crown ether is used to separate lithium from production process wastewater, and then lithium is extracted back from crown ether. Since this method enables concentration of lithium during back extraction, it does not require concentration by evaporation and is cost effective. However, crown ether is expensive, and the solvent extraction method requires waste water treatment, which complicates the process, resulting in an increase in the cost of lithium recovery.

本発明は上記課題に鑑みてなされたものであり、リチウムとアルミニウムを含有するリチウム二次電池用正極材料の製造工程排水からリチウムをより簡便に回収し、かつ回収コストを低減する方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and provides a method for more simply recovering lithium from waste water of manufacturing process of positive electrode material for lithium secondary battery containing lithium and aluminum and reducing the recovery cost The purpose is

本発明の一態様は、リチウム二次電池用正極材料のリチウムとアルミニウムを含有する製造工程排水からリチウムを回収するリチウムの回収方法であって、製造工程排水にイオン交換樹脂を接触させてイオン交換樹脂にリチウムイオンを選択的に吸着させる吸着工程と、吸着工程においてリチウムイオンを選択的に吸着させたイオン交換樹脂に酸又はナトリウム塩を含有する水溶液を接触させてイオン交換樹脂からリチウムイオンを溶離させる溶離工程とを有し、イオン交換樹脂は、カルボキシ基又はそのナトリウム塩型の官能基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂であることを特徴とする。   One aspect of the present invention is a method for recovering lithium from manufacturing process waste water containing lithium and aluminum of positive electrode material for lithium secondary battery, which comprises contacting ion exchange resin with the production process waste water to carry out ion exchange The adsorption step of selectively adsorbing lithium ions to the resin, and the ion exchange resin in which the lithium ions are selectively adsorbed in the adsorption step are brought into contact with an aqueous solution containing an acid or a sodium salt to elute lithium ions from the ion exchange resin And the ion exchange resin is a weakly acidic cation exchange resin having a carboxyl group or a functional group of its sodium salt type.

このようにすれば、製造工程排水から選択的にリチウムを回収することができる。そして、製造工程排水を蒸発させリチウムを濃縮させる工程無しにリチウムを濃縮することができるため、リチウムをより簡便に回収し、かつ回収コストを低減することができる。   In this way, lithium can be selectively recovered from the wastewater in the manufacturing process. And since lithium can be concentrated without the process of evaporating manufacturing process waste water and concentrating lithium, lithium can be recovered more simply and recovery cost can be reduced.

また、本発明の一態様では、吸着工程における製造工程排水のpHを9以上としてもよい。   In one embodiment of the present invention, the pH of the production process waste water in the adsorption step may be 9 or more.

このようにすれば吸着工程において、製造工程排水中のアルミニウムとリチウムを分離させられ、またイオン交換反応が阻害されることを防ぐことができるので、リチウムをより簡便に回収し、かつ回収コストを低減することができる。   In this way, in the adsorption step, aluminum and lithium in the manufacturing process wastewater can be separated, and inhibition of the ion exchange reaction can be prevented, so lithium can be recovered more easily and recovery cost can be reduced. It can be reduced.

また、本発明の一態様では、吸着工程における製造工程排水のリチウム濃度は、0.3g/L以上であるとしてもよい。   Further, in one aspect of the present invention, the lithium concentration of the production process wastewater in the adsorption step may be 0.3 g / L or more.

このようにすれば、吸着工程において選択性の低いリチウムイオンをイオン交換樹脂に吸着させることができる。   In this way, lithium ions with low selectivity can be adsorbed to the ion exchange resin in the adsorption step.

また、本発明の一態様では吸着工程の前にさらにイオン交換樹脂に含有される官能基を置換する置換工程を有し、置換工程は、官能基をカルボキシ基からナトリウム塩型に置換してもよい。   In one embodiment of the present invention, the adsorption step further includes a substitution step of substituting a functional group contained in the ion exchange resin before the adsorption step, and in the substitution step, the carboxyl group is substituted with a sodium salt type. Good.

このようにすれば吸着工程におけるpHの低下を防ぐことができ、吸着工程におけるイオン交換反応が阻害されることを防ぐことができる。   In this way, it is possible to prevent a decrease in pH in the adsorption step and to prevent the ion exchange reaction in the adsorption step from being inhibited.

また、本発明の一態様では溶離工程の後にさらにイオン交換樹脂を再生する再生工程を有し、再生工程は、溶離工程においてナトリウム塩型からカルボキシ基となった官能基を、カルボキシ基からナトリウム塩型に置換してもよい。   In one embodiment of the present invention, the elution step further includes a regeneration step of regenerating the ion exchange resin, and the regeneration step comprises a functional group changed from sodium salt type to carboxy group in the elution step and sodium salt from carboxy group It may be replaced by a type.

このようにすれば再度の吸着工程においてpHの低下を防ぐことができ、吸着工程におけるイオン交換反応が阻害されることを防ぐことができる。   In this way, it is possible to prevent the decrease in pH in the adsorption step again, and to prevent the ion exchange reaction in the adsorption step from being inhibited.

また、本発明の一態様では溶離工程におけるナトリウム塩は硫酸ナトリウムであるとしてもよい。   In one aspect of the present invention, the sodium salt in the elution step may be sodium sulfate.

このようにすれば溶離工程において官能基がカルボキシ基からナトリウム塩型に置換されるため、再生工程を省略することができる。   In this way, since the functional group is substituted from the carboxy group to the sodium salt type in the elution step, the regeneration step can be omitted.

本発明によれば製造工程排水から選択的にリチウムを回収することができ、製造工程排水を蒸発させリチウムを濃縮させる工程無しにリチウムを濃縮することができるため、リチウムとアルミニウムを含有するリチウム二次電池用正極材料の製造工程排水からリチウムをより簡便に回収し、かつ回収コストを低減することができる。   According to the present invention, lithium can be selectively recovered from the production process waste water, and lithium can be concentrated without the process of evaporating the production process waste water and concentrating lithium, so lithium and aluminum containing lithium It is possible to more simply recover lithium from the production process drainage of the positive electrode material for the next battery, and to reduce the recovery cost.

リチウム二次電池用正極材料の製造工程の概略を示すフロー図である。It is a flowchart which shows the outline of the manufacturing process of the positive electrode material for lithium secondary batteries. 本発明の一実施形態に係るリチウムの回収方法の概略を示すフロー図である。It is a flow figure showing an outline of a recovery method of lithium concerning one embodiment of the present invention. 実施例1における吸着工程での混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を示す図である。FIG. 6 is a view showing the relationship between mixing and stirring time in the adsorption step and the metal concentration in the manufacturing process waste water in Example 1. 実施例1における溶離工程での混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を示す図である。FIG. 6 is a view showing the relationship between the mixing and stirring time in the elution step and the metal concentration in the production process waste water in Example 1. 比較例1における吸着工程での混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the mixing stirring time in the adsorption process in the comparative example 1, and the metal concentration in a manufacturing process waste water. 比較例1における溶離工程での混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship of the mixing stirring time in the elution process in the comparative example 1, and the metal concentration in a manufacturing process waste water.

以下、本発明の具体的な実施形態(以下、「本実施形態」という)について詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態に何ら限定されるものではなく、本発明の目的の範囲内において、適宜変更を加えて実施することができる。   Hereinafter, specific embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as “the present embodiments”) will be described in detail. In addition, this invention is not limited to the following embodiment at all, Within the range of the objective of this invention, a change can be added suitably and can be implemented.

[1.リチウム二次電池用正極材料の製造工程の概要]
まず、リチウム二次電池用正極材料の製造工程の概要について図面を使用しながら説明する。図1は、リチウム二次電池用正極材料の製造工程の概略を示すフロー図である。リチウム二次電池用正極材料の製造工程は、図1に示すように、晶析工程S101と分離工程S102と焼成工程S103と水洗工程S104とから構成される。詳細には、晶析工程S101は、ニッケル、コバルト、又はアルミニウム等の原料からなる各硫酸金属塩の混合水溶液に、水酸化ナトリウム水溶液を加えて、これらの金属水酸化物を共沈させて金属水酸化物を含むスラリーを得る工程である。また、分離工程S102は、得られた金属水酸化物を含むスラリーから金属複合水酸化物を固液分離等により分離する工程である。また、焼成工程S103は、得られた金属複合水酸化物と水酸化リチウムとを混合し、この混合物を所定の温度で焼成することによりリチウム金属複合酸化物を得る工程である。そして、水洗工程S104は、得られたリチウム金属複合酸化物を水洗処理する工程である。
[1. Outline of manufacturing process of positive electrode material for lithium secondary battery]
First, an outline of a production process of a positive electrode material for a lithium secondary battery will be described using the drawings. FIG. 1 is a flow chart showing an outline of the production process of a positive electrode material for a lithium secondary battery. As shown in FIG. 1, the manufacturing process of the positive electrode material for lithium secondary battery is composed of a crystallization process S101, a separation process S102, a baking process S103, and a water washing process S104. Specifically, in the crystallization step S101, an aqueous solution of sodium hydroxide is added to a mixed aqueous solution of metal salts of sulfates made of raw materials such as nickel, cobalt, or aluminum, and these metal hydroxides are coprecipitated to obtain a metal. It is a process of obtaining the slurry containing hydroxide. The separation step S102 is a step of separating the metal composite hydroxide from the obtained slurry containing the metal hydroxide by solid-liquid separation or the like. In the firing step S103, the obtained metal composite hydroxide and lithium hydroxide are mixed, and the mixture is fired at a predetermined temperature to obtain a lithium metal composite oxide. The water washing step S104 is a step of water washing the obtained lithium metal composite oxide.

リチウム二次電池用正極材料の製造工程のうち、水洗工程S104では、正極材料を水洗するため、リチウムイオンとアルミニウムイオンを高濃度で含む排水が排出される。排水濃度は、例えばリチウムイオンが、1〜4g/Lであり、アルミニウムイオンが、0.04〜0.18g/Lを有している。このような排水を公共用水域に放流することは、リチウムが工業的にも有用な金属であるため好ましくない。そして、資源のリサイクルにおいて、製造工程において排出されるリチウムを廃棄せずに回収し有効活用することが求められている。   In the water washing step S104 of the manufacturing process of the positive electrode material for lithium secondary battery, since the positive electrode material is washed with water, waste water containing lithium ions and aluminum ions at high concentration is discharged. The drainage concentration is, for example, 1 to 4 g / L for lithium ions, and 0.04 to 0.18 g / L for aluminum ions. It is not preferable to discharge such drainage into public water areas because lithium is an industrially useful metal. And, in recycling of resources, it is required to recover and effectively use lithium discharged in the manufacturing process without discarding.

上述したように、例えばNCAの製造工程排水はリチウムとアルミニウムを含む水溶液になるため、この製造工程排水からリチウム化合物を回収しようとした場合、アルミニウムの分離が必要になる。   As described above, for example, since the wastewater in the production process of NCA is an aqueous solution containing lithium and aluminum, separation of aluminum is required when recovering a lithium compound from the wastewater in the production process.

アルミニウムとリチウムを含有する水溶液からアルミニウムを分離するには中和沈殿法(例えば特許文献1)、溶媒抽出法(例えば特許文献2及び3)、イオン交換法などがある。   In order to separate aluminum from an aqueous solution containing aluminum and lithium, there are a neutralization precipitation method (for example, Patent Document 1), a solvent extraction method (for example, Patent Documents 2 and 3), an ion exchange method, and the like.

中和沈殿法ではアルミニウムが水酸化物となるpH領域にpH調整を行い、アルミニウムを沈殿物として分離する。この方法を用いるとリチウムは水溶液中に残留する。   In the neutralization precipitation method, pH adjustment is performed in a pH range in which aluminum becomes a hydroxide, and aluminum is separated as a precipitate. Lithium remains in the aqueous solution using this method.

溶媒抽出法では、例えばカルボン酸やリン酸などを官能基として持つ、酸性抽出剤が広く用いられているが、酸性抽出剤は通常、形成する酸化物の塩基性が高い金属ほど抽出し難いことから、リチウムはアルミニウムより抽出し難い。このため、アルミニウムを抽出して分離する。この方法を用いた場合も、リチウムは水溶液中に残留する。   In the solvent extraction method, an acidic extractant having, for example, a carboxylic acid or phosphoric acid as a functional group is widely used, but the acidic extractant is generally more difficult to extract as the metal of the formed oxide has higher basicity. Therefore, lithium is more difficult to extract than aluminum. For this reason, aluminum is extracted and separated. Lithium also remains in the aqueous solution when this method is used.

イオン交換法では、カチオンを捕捉するために陽イオン交換樹脂やキレート樹脂が広く用いられているが、アルミニウムよりリチウムを選択的に捕捉する樹脂はないため、アルミニウムを捕捉して液から分離する。この方法を用いた場合もリチウムは水溶液中に残留する。   In the ion exchange method, a cation exchange resin or a chelate resin is widely used to capture cations, but since there is no resin that selectively captures lithium compared to aluminum, aluminum is captured and separated from the solution. Lithium also remains in the aqueous solution when this method is used.

このように、アルミニウムを選択的に除去して液中にリチウムを残す分離法は多くあるが、リチウムを炭酸塩又は水酸化物として回収しようとした場合、液中のリチウム濃度が低い場合は不利になる。例えば炭酸リチウムで回収しようとした場合、炭酸ナトリウムなどの炭酸源を添加して、炭酸リチウムを沈殿させて回収するが、炭酸リチウムは20℃で約13g/Lの溶解度を持つため、リチウム濃度はこの濃度以上でなければならない。鉱石や工程中間品の浸出液は条件を調整することで、リチウム濃度を高くすることはできるが、浸出時のpHを下げるために酸を多く消費するなど経済的には好ましくない状況になる可能性がある。また、製造工程排水中のリチウム濃度は通常ロスを低減するために低く抑えられることから、この濃度以上になることはほとんどない。   As described above, there are many separation methods in which aluminum is selectively removed to leave lithium in the solution, but when lithium is to be recovered as a carbonate or hydroxide, it is disadvantageous when the lithium concentration in the solution is low. become. For example, when it is intended to recover lithium carbonate, a carbonated source such as sodium carbonate is added to precipitate lithium carbonate for recovery, but lithium carbonate has a solubility of about 13 g / L at 20 ° C. It must be above this concentration. By adjusting the conditions, it is possible to increase the lithium concentration by adjusting the conditions for the leachate of ores and process intermediate products, but it may become economically unfavorable situations such as consuming a large amount of acid to lower the pH at the time of leaching. There is. In addition, since the lithium concentration in the manufacturing process waste water is usually kept low to reduce losses, the lithium concentration in this case is hardly exceeded.

このため、製造工程排水中のリチウム濃度が低い場合は濃縮を行う必要がある。水酸化リチウムで回収しようとした場合でも、水酸化リチウムは炭酸リチウムに消石灰を添加して転換する場合が多いため、中間品の炭酸リチウムを得るために濃縮する必要がある。   For this reason, when the lithium concentration in the manufacturing process waste water is low, concentration needs to be performed. Even if it is intended to recover with lithium hydroxide, lithium hydroxide is often converted by adding slaked lime to lithium carbonate, so it is necessary to concentrate it to obtain an intermediate product lithium carbonate.

良く知られている濃縮法として蒸発濃縮法があるが、水を蒸発させるには標準大気圧で539kcal/kgと多大なエネルギーが必要になり、エネルギーコストが高くなるため、経済的に好ましくない。   Evaporative concentration is known as a well-known concentration method, but to evaporate water requires a large amount of energy at 539 kcal / kg at standard atmospheric pressure, resulting in high energy costs, which is not economically preferable.

溶媒抽出法とイオン交換法は回収対象の金属を抽出又は吸着した後、逆抽出又は溶離することで精製した水溶液にするが、逆抽出液や溶離液の流量を調整することで、回収対象の金属を濃縮することができる。このため、リチウムを選択的に抽出又は吸着できれば、エネルギーコストの高い蒸発濃縮法を用いなくても、炭酸リチウムを沈殿させることが可能なリチウム濃度の精製液を得ることが可能になる。   The solvent extraction method and the ion exchange method extract or adsorb the metal to be recovered, and then make the aqueous solution purified by back extraction or elution, but by adjusting the flow rate of the back extract solution or the eluent, the recovery object is recovered Metals can be concentrated. Therefore, if lithium can be selectively extracted or adsorbed, it is possible to obtain a purified liquid having a lithium concentration capable of precipitating lithium carbonate without using a high energy cost evaporative concentration method.

アルカリ金属やアルカリ土類金属を選択的に抽出できる抽出剤又は吸着できる樹脂としては大環状化合物であるクラウンエーテルを官能基の持つ抽出剤又は樹脂が知られている(例えば特許文献3)。クラウンエーテルは金属イオンを環の中に取り込むことで錯体を形成することが知られており、環の半径に適合するイオン半径を持つ金属イオンに選択性を持つ。環を構成する元素が炭素と酸素のクラウンエーテルは特にアルカリ金属やアルカリ土類金属に親和性があり、12−crown−4がリチウムと特異的に錯体を形成することが知られている。しかし、クラウンエーテルは水溶性があるため、相分離する必要のある溶媒抽出法には適さない。クラウンエーテルに親油性のアルキル基などを修飾して、非水溶性の性質にすることも考えられるが、特別な合成が必要になり工業的に利用しようとした場合、コストが高価になるといったことや、供給安定性が保てないといった問題から、利用は現実的ではない。   As an extracting agent or resin capable of selectively extracting an alkali metal or alkaline earth metal, an extracting agent or resin having a crown ether which is a macrocyclic compound as a functional group is known (for example, Patent Document 3). Crown ethers are known to form complexes by incorporating metal ions into the ring and are selective for metal ions having an ionic radius that matches the ring radius. It is known that crown ethers of carbon and oxygen, which constitute the ring, particularly have affinity to alkali metals and alkaline earth metals, and 12-crown-4 specifically forms a complex with lithium. However, crown ethers are water soluble and thus are not suitable for solvent extraction methods that require phase separation. It may be considered to modify crown alkyl ether to a lipophilic alkyl group or the like to make it water insoluble property, but if special synthesis is required and it is attempted to be used industrially, the cost becomes expensive. And utilization is not realistic due to the problem that supply stability can not be maintained.

さらに、溶媒抽出法は抽出後の抽出残液に微小な液滴の状態で有機相が混入するため、通常排水を放流するには活性炭処理などが必要になる。また、抽出剤などの有機溶媒由来の水溶性不純物や水溶性分解物などが水相に溶解し、排水中のCODが増加するため、酸化分解処理などの排水処理が必要になり、工程が複雑になり、処理コストが高くなる傾向がある。   Furthermore, in the solvent extraction method, since the organic phase is mixed in the state of minute droplets in the extraction residue after extraction, in order to discharge the waste water usually, an activated carbon treatment or the like is required. In addition, water-soluble impurities derived from organic solvents such as extractants and water-soluble decomposition products are dissolved in the aqueous phase, and COD in the waste water is increased, so waste water treatment such as oxidative decomposition treatment is required, and the process is complicated. And the processing cost tends to be high.

このため、クラウンエーテルを担持させた樹脂を用いることが最も簡便な方法になるが、クラウンエーテルは試薬自体が高価であり、樹脂も高価となり、現在は分析用のカラムとして用いる程度にしか実用例はない。したがって、クラウンエーテルを用いて大規模に精製を行うことは現時点ではコスト的に不利である。   For this reason, the simplest method is to use a resin on which crown ether is supported. However, crown ether is expensive in its reagent itself, and the resin is also expensive. Currently, practical examples can only be used as a column for analysis. There is no. Therefore, large-scale purification using crown ethers is currently at a cost disadvantage.

このような問題があり、アルミニウムとリチウムを含有する水溶液から選択的にリチウムを回収し、炭酸リチウムや水酸化リチウムを得るために適した濃度の水溶液とするための簡便な方法が求められていた。   Due to such problems, there has been a demand for a simple method for selectively recovering lithium from an aqueous solution containing aluminum and lithium to obtain an aqueous solution having a concentration suitable for obtaining lithium carbonate or lithium hydroxide. .

このような実情に鑑み、発明者らは鋭意検討を重ねた結果、アルミニウムとリチウムを含有する製造工程排水を所定のpHに調整し、官能基をナトリウム型(以下、Na型と記載)に調整したカルボキシ基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂と接触させることでリチウムイオンを選択的に吸着してアルミニウムイオンを液中に残す吸着工程と、酸又はナトリウム塩を含む水溶液を用いて弱酸性陽イオン交換樹脂に吸着したリチウムイオンを溶離する溶離工程とを組み合わせることで、簡便にアルミニウムとリチウムを含有する製造工程排水から選択的にリチウムを回収し、炭酸リチウムや水酸化リチウムを得るために適した濃度の水溶液にすることが可能になることを見出し、本発明を完成するに至った。   In view of such circumstances, as a result of intensive investigations, the inventors adjusted the production process wastewater containing aluminum and lithium to a predetermined pH and adjusted the functional group to a sodium type (hereinafter referred to as Na type). Adsorption step in which lithium ions are selectively adsorbed to leave aluminum ions in the solution by contacting with a weakly acidic cation exchange resin having a carboxy group, and weakly acidic cations using an aqueous solution containing an acid or a sodium salt Suitable for recovering lithium selectively from production process waste water containing aluminum and lithium simply by combining with an elution step of eluting lithium ion adsorbed to exchange resin, and obtaining lithium carbonate and lithium hydroxide It has been found that it is possible to make an aqueous solution of concentration, and the present invention has been completed.

[2.リチウムの回収工程]
本実施形態に係るリチウムの回収方法は、リチウム二次電池用正極材料の製造工程排水からリチウムを回収するものであって、置換工程と、吸着工程と、溶離工程と、再生工程とを有する。以下、リチウムの回収方法の概要及び各工程をそれぞれ説明する。
[2. Lithium recovery process]
The method for recovering lithium according to the present embodiment recovers lithium from the production process waste water of a positive electrode material for lithium secondary battery, and includes a replacement step, an adsorption step, an elution step, and a regeneration step. Hereinafter, the outline and each process of the recovery method of lithium are each demonstrated.

[2−1.リチウムの回収方法の概要]
まず、リチウムの回収方法の概要について図面を使用しながら説明する。図2は、リチウムの回収方法の概略を示すフロー図である。本発明の一実施形態に係るリチウムの回収方法は、図2に示すように、置換工程S1と吸着工程S2と溶離工程S3と再生工程S4とから構成される。
[2-1. Outline of Lithium Recovery Method]
First, an outline of a method for recovering lithium will be described using the drawings. FIG. 2 is a flowchart showing an outline of a method for recovering lithium. The method for recovering lithium according to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 2, comprises a substitution step S1, an adsorption step S2, an elution step S3 and a regeneration step S4.

[2−2−1.置換工程]
置換工程S1は、弱酸性陽イオン交換樹脂に含有される官能基であるカルボキシ基(以下、「H型」ともいう。)をナトリウム型(以下、「Na型」ともいう。)に置換する工程である。本実施形態で、H型をNa型に置換する理由は、吸着工程の項目で説明する。なお、置換工程は、後述する吸着工程と溶離工程とを複数回繰り返すことで、リチウムイオンに対する弱酸性陽イオン交換樹脂の吸着性が低下するので、この吸着性を再生する目的で行うこともできる。なお置換工程は弱酸性陽イオン交換樹脂がNa型になっている場合には省略することができる。
2-2-1. Replacement process]
The substitution step S1 is a step of substituting a carboxy group (hereinafter also referred to as "H-type"), which is a functional group contained in the weak acid cation exchange resin, with a sodium type (hereinafter also referred to as "Na-type"). It is. The reason why the H-type is replaced with the Na-type in this embodiment will be described in the section of the adsorption step. In addition, since the adsorption property of weak acid cation exchange resin with respect to lithium ion falls by repeating the adsorption | suction process and elution process which are mentioned later several times, a substitution process can also be performed in order to reproduce this adsorption. . The substitution step can be omitted when the weakly acidic cation exchange resin is in the Na type.

[2−2−2.吸着工程]
吸着工程S2では、製造工程排水に弱酸性イオン交換樹脂を接触させて、弱酸性イオン交換樹脂にリチウムイオンを選択的に吸着させる。アルミニウムとリチウムを含有するリチウム液はどのような金属濃度でもかまわないが、水溶液のpHを9以上に調整することで、アルミニウムイオンをアルミン酸イオン[Al(OH)にする。この液をNa型に調整したカルボキシ基を含有する弱酸性陽イオン交換樹脂と接触させると、カチオンであるリチウムイオンは吸着するが、アニオンであるアルミン酸イオンは吸着しない。ここで、アルミニウムイオンはリチウムイオンより選択性が高い。そのため、製造工程排水中にアルミニウムイオンが存在する場合はリチウムを弱酸性陽イオン交換樹脂に選択的に吸着させるのは困難である。そこで、本発明の一実施形態に係る吸着工程では、アルミニウムイオンをアルミン酸イオンにすることでリチウムイオンを選択的に吸着させることができるようにした。このとき、官能基が水素型(以下、H型と記載)であると、リチウムイオンと交換した水素イオンが水溶液中に放出され、樹脂近傍のpHは低下する。この場合、ろ過性の悪い水酸化アルミニウムが析出して樹脂に付着し、イオン交換反応を阻害する。樹脂近傍のpHがさらに低下し、アルミニウムがカチオンとして存在する酸性領域になった場合はリチウムイオンより選択的に吸着され分離が困難になる。
2-2-2. Adsorption process]
In the adsorption step S2, the weakly acidic ion exchange resin is brought into contact with the production process wastewater to selectively adsorb lithium ions to the weakly acidic ion exchange resin. The lithium solution containing aluminum and lithium may have any metal concentration. However, by adjusting the pH of the aqueous solution to 9 or more, the aluminum ion is converted to an aluminate ion [Al (OH) 4 ] . When this solution is brought into contact with a weakly acidic cation exchange resin containing a carboxy group, which has been adjusted to the Na type, lithium ions which are cations are adsorbed, but aluminate ions which are anions are not adsorbed. Here, the aluminum ion is more selective than the lithium ion. Therefore, it is difficult to selectively adsorb lithium to the weakly acidic cation exchange resin when aluminum ions are present in the production process waste water. Therefore, in the adsorption step according to one embodiment of the present invention, lithium ions can be selectively adsorbed by converting aluminum ions into aluminate ions. At this time, if the functional group is a hydrogen type (hereinafter, described as H type), hydrogen ions exchanged with lithium ions are released into the aqueous solution, and the pH in the vicinity of the resin is lowered. In this case, aluminum hydroxide having poor filterability precipitates and adheres to the resin to inhibit the ion exchange reaction. When the pH in the vicinity of the resin is further lowered to reach an acidic region where aluminum is present as a cation, it is selectively adsorbed more than lithium ions, making separation difficult.

しかし、Na型に予め調整しておくことで、このようなpH低下を防ぎ、水酸化アルミニウムやアルミニウムイオンの生成を抑制し、アルミニウムはアルミン酸イオンの状態に保持できるため、樹脂に吸着されることはない。ナトリウムイオンとリチウムイオンではリチウムイオンの方が選択性に劣るため、Na型でリチウムイオンを吸着するには、リチウム濃度が0.3g/L以上にする必要があり、0.5g/L以上であることが望ましい。もし、製造工程排水中のリチウム濃度は0.3g/L未満である場合には、リチウムイオンがNa型の弱酸性陽イオン交換樹脂に吸着し難いおそれがある。   However, by adjusting to Na-type in advance, such pH decrease is prevented and the formation of aluminum hydroxide and aluminum ion is suppressed, and aluminum can be held in the state of aluminate ion, so it is adsorbed to the resin. There is nothing to do. Since lithium ion is inferior in selectivity to sodium ion and lithium ion, lithium concentration needs to be 0.3 g / L or more in order to adsorb lithium ion in Na type, and 0.5 g / L or more It is desirable to have. If the lithium concentration in the manufacturing process waste water is less than 0.3 g / L, lithium ions may be difficult to be adsorbed to the Na-type weakly acidic cation exchange resin.

[2−2−3.溶離工程]
溶離工程S3では硫酸や塩酸などの酸又はナトリウム塩を含有する水溶液でリチウムイオンを溶離する。硫酸や塩酸などの酸を溶離液に用いた場合、弱酸性陽イオン交換樹脂はH型になるため、溶離後、NaOHを通液してNa型にする再生工程が必要になる。一方で、ナトリウム塩を含有する水溶液でリチウムイオンを溶離した場合はNa型になるため、再生工程は省略できる。また、溶離液の流量を調整することで、溶離液のリチウムを濃縮することができる。このため、エネルギーコストの高い蒸発濃縮法を用いなくてもリチウムを回収することが可能になる。なお弱酸性陽イオン交換樹脂は水素イオンに対する選択性が非常に大きいため、官能基にスルホン酸基を有する強酸性陽イオン交換樹脂に比べ、溶離工程においてリチウムイオンを容易に溶離することができる。
2-2-3. Elution process]
In the elution step S3, lithium ions are eluted with an aqueous solution containing an acid or sodium salt such as sulfuric acid or hydrochloric acid. When an acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid is used as the eluent, the weakly acidic cation exchange resin is H-type, and therefore, after the elution, a regeneration step of passing NaOH through to Na-type is required. On the other hand, when lithium ions are eluted with an aqueous solution containing a sodium salt, it becomes Na-type, so the regeneration step can be omitted. In addition, by adjusting the flow rate of the eluent, lithium in the eluent can be concentrated. Therefore, lithium can be recovered without using a high energy cost evaporation method. In addition, since the weak acid cation exchange resin has a very high selectivity to hydrogen ions, lithium ions can be easily eluted in the elution step as compared to a strongly acidic cation exchange resin having a sulfonic acid group as a functional group.

[2−2−4.再生工程]
再生工程S4は硫酸や塩酸などの酸で溶離した場合のみ必要になる。本工程では硫酸や塩酸でリチウムイオンを溶離した後、H型になった弱酸性陽イオン交換樹脂にNaOHを通液することでNa型に変換する。なおナトリウム塩を含有する水溶液でリチウムイオンを溶離した場合は溶離反応でNa型になるため、本工程は必要ない。
2-2-4. Regeneration process]
The regeneration step S4 is required only when eluting with an acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid. In this step, lithium ions are eluted with sulfuric acid or hydrochloric acid, and then converted into Na-type by passing NaOH through a weakly acidic cation exchange resin in H-type. When the lithium ion is eluted with an aqueous solution containing a sodium salt, this step is unnecessary because it becomes Na type by the elution reaction.

ナトリウム塩には塩化ナトリウムや硫酸ナトリウムといったものがあるが、塩化ナトリウムを用いた場合、沈殿回収した炭酸リチウムに塩素が残留する。回収した炭酸リチウムは二次電池の正極材料の原料としてリサイクルされるが、塩素は設備の構造材を腐食するといったデメリットがあることから硫酸ナトリウムを用いることが望ましい。   Sodium salts include sodium chloride and sodium sulfate, but when sodium chloride is used, chlorine remains in precipitated lithium carbonate. The recovered lithium carbonate is recycled as a raw material of the positive electrode material of the secondary battery, but it is desirable to use sodium sulfate because chlorine has a disadvantage of corroding the structural material of the facility.

以下、本発明を適用した具体的な実施例について説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。   EXAMPLES Specific examples to which the present invention is applied will be described below, but the present invention is not limited to these examples.

<実施例1>
[3−1.置換工程]
H型に調整して販売している5mLの弱酸性陽イオン交換樹脂(デュオライト社製:C433LF)と1mol/LのNaOH水溶液100mLを200mLのパイレックス(登録商標)製のビーカー内で10分間混合撹拌することで、官能基をNa型にした。Na型に変換した後、樹脂を5C濾紙で濾過して回収した。回収した樹脂は純水で洗浄を行い、付着しているNaOH水溶液を除去した。
Example 1
[3-1. Replacement process]
Mix 5 mL of weakly acidic cation exchange resin (Duolite Co., Ltd .: C433LF) and 100 mL of 1 mol / L aqueous NaOH solution, which are adjusted to the H form, in a 200 mL Pyrex (registered trademark) beaker for 10 minutes The functional group was converted to Na form by stirring. After conversion to the Na form, the resin was recovered by filtration through 5 C filter paper. The recovered resin was washed with pure water to remove the adhering aqueous NaOH solution.

[3−2.吸着工程]
[3−1.]の置換工程で準備した5mLの樹脂と製造工程排水50mLを100mLのビーカーに入れ、10分間混合撹拌を行った。製造工程排水のpHは12、リチウム濃度は約2300mg/L、アルミニウム濃度は100mg/Lであった。撹拌中は1分毎に製造工程排水を1mLサンプリングし、分析サンプルとした。混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を図3に示す。
[3-2. Adsorption process]
[3-1. 5 mL of resin prepared in the substitution step and 50 mL of production process drainage were placed in a 100 mL beaker, and mixed and stirred for 10 minutes. The pH of the wastewater in the production process was 12, the lithium concentration was about 2300 mg / L, and the aluminum concentration was 100 mg / L. During the stirring, 1 mL of manufacturing process waste water was sampled every one minute, and used as an analysis sample. The relationship between the mixing and stirring time and the metal concentration in the production process drainage is shown in FIG.

[3−3.溶離工程]
[3−2.]の吸着工程でリチウムを吸着させた5mLの樹脂を5C濾紙で濾過して回収し、純水でかけ水洗浄した。この樹脂と重量濃度で6.4%の硫酸水溶液50mLを100mLのビーカーに入れ、10分間混合撹拌を行った。撹拌中は1分毎に製造工程排水を1mLサンプリングし、分析サンプルとした。混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を図4に示す。
[3-3. Elution process]
[3-2. In the adsorption step, 5 mL of the resin on which lithium was adsorbed was recovered by filtration through 5 C filter paper and washed with pure water. The resin and 50 mL of a 6.4% aqueous sulfuric acid solution by weight were placed in a 100 mL beaker, and mixed and stirred for 10 minutes. During the stirring, 1 mL of manufacturing process waste water was sampled every one minute, and used as an analysis sample. The relationship between the mixing and stirring time and the metal concentration in the production process drainage is shown in FIG.

[3−1.]の置換工程、[3−2.]の吸着工程及び[3−3.]の溶離工程は全て常温で行った。[3−2.]の吸着工程及び[3−3.]の溶離工程でサンプリングした分析サンプル中の金属濃度はICP−AESで分析した。   [3-1. ] Substitution process, [3-2. ] And [3-3. All elution steps were performed at normal temperature. [3-2. ] And [3-3. The metal concentration in the analysis sample sampled in the elution step of [1] was analyzed by ICP-AES.

<比較例1>
[4−1.吸着工程]
H型に調整して販売している5mLの弱酸性陽イオン交換樹脂(デュオライト社製:C433LF)と製造工程排水50mLを100mLのビーカーに入れ、10分間混合撹拌を行った。製造工程排水のpHは12、リチウム濃度は約2300mg/L、アルミニウム濃度は100mg/Lであった。撹拌中は1分毎に製造工程排水を1mLサンプリングし、分析サンプルとした。混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を図5に示す。
Comparative Example 1
[4-1. Adsorption process]
In a 100 mL beaker, 5 mL of a weakly acidic cation exchange resin (Duolite Co., Ltd .: C433LF) and 50 mL of manufacturing process drainage, which are adjusted to the H shape and sold, were placed and stirred for 10 minutes. The pH of the wastewater in the production process was 12, the lithium concentration was about 2300 mg / L, and the aluminum concentration was 100 mg / L. During the stirring, 1 mL of manufacturing process waste water was sampled every one minute, and used as an analysis sample. The relationship between the mixing and stirring time and the metal concentration in the production process drainage is shown in FIG.

[4−2.溶離工程]
[4−1.]の吸着工程でリチウムイオンを吸着させた5mLの樹脂を5C濾紙で濾過して回収し、純水でかけ水洗浄した。この樹脂と重量濃度で6.4%の硫酸水溶液50mLを100mLのビーカーに入れ、10分間混合撹拌を行った。撹拌中は1分毎に製造工程排水を1mLサンプリングし、分析サンプルとした。混合撹拌時間と製造工程排水中の金属濃度の関係を図6に示す。
[4-2. Elution process]
[4-1. In the adsorption step, 5 mL of the resin on which lithium ions were adsorbed was recovered by filtration through 5 C filter paper, and washed with pure water. The resin and 50 mL of a 6.4% aqueous sulfuric acid solution by weight were placed in a 100 mL beaker, and mixed and stirred for 10 minutes. During the stirring, 1 mL of manufacturing process waste water was sampled every one minute, and used as an analysis sample. The relationship between the mixing and stirring time and the metal concentration in the production process drainage is shown in FIG.

[4−1.]の吸着工程及び[4−2.]の溶離工程は全て常温で行った。[4−1.]の吸着工程及び[4−2.]の溶離工程でサンプリングした分析サンプル中の金属濃度はICP−AESで分析した。   [4-1. ] And [4-2. All elution steps were performed at normal temperature. [4-1. ] And [4-2. The metal concentration in the analysis sample sampled in the elution step of [1] was analyzed by ICP-AES.

実施例1では、図3より、時間とともにリチウムの濃度は下がるが、アルミニウムは時間がたっても初期濃度から変化がないことが確認できる。さらに、図4より、吸着後の樹脂からはリチウムイオンは溶離されるが、アルミニウムイオンは溶離工程後の製造工程排水中に検出されないことが確認できる。これらのことから、Na型であれば、アルミニウムイオンは吸着せず、リチウムイオンのみ選択的に吸着回収することが可能であることがわかった。   In Example 1, according to FIG. 3, although the concentration of lithium decreases with time, it can be confirmed that the aluminum does not change from the initial concentration over time. Furthermore, it can be confirmed from FIG. 4 that although lithium ions are eluted from the resin after adsorption, aluminum ions are not detected in the manufacturing process waste water after the elution step. From these facts, it was found that, in the case of the Na type, aluminum ions are not adsorbed, and only lithium ions can be selectively adsorbed and recovered.

比較例1では、図5より時間とともにリチウムとアルミニウム濃度が下がっていることが確認できる。さらに、図6より、溶離工程後の製造工程排水中にはリチウムとアルミニウムが検出されることが確認できる。これは、比較例1では弱酸性陽イオン交換樹脂がカルボキシ基であるため、リチウムイオンの吸着と共に水素イオンが製造工程排水に溶出され、製造工程排水のpHが低下し、アルミン酸イオンがアルミニウムイオン(カチオン)となって弱酸性陽イオン交換樹脂に吸着したためと考えられる。これらのことから、H型の場合はアルミニウムとリチウムを分離することが不可能であることがわかった。   In Comparative Example 1, it can be confirmed from FIG. 5 that the concentrations of lithium and aluminum decrease with time. Furthermore, it can be confirmed from FIG. 6 that lithium and aluminum are detected in the manufacturing process drainage after the elution step. This is because, in Comparative Example 1, since the weakly acidic cation exchange resin is a carboxy group, hydrogen ions are eluted into the production process wastewater as the lithium ion is adsorbed, and the pH of the production process wastewater decreases, and the aluminate ions are aluminum ions. It is considered that the (cation) is adsorbed to the weakly acidic cation exchange resin. From these facts, it was found that it is impossible to separate aluminum and lithium in the case of H-type.

以上のことから、本発明によってアルミニウムとリチウム含有する製造工程排水からリチウムを選択的に分離することが可能であることが示された。   From the above, it has been shown that it is possible to selectively separate lithium from manufacturing process wastewater containing aluminum and lithium according to the present invention.

なお、上記のように本発明の各実施形態及び各実施例について詳細に説明したが、本発明の新規事項及び効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは、当業者には、容易に理解できるであろう。従って、このような変形例は、全て本発明の範囲に含まれるものとする。   Although the embodiments and examples of the present invention have been described in detail as described above, it is apparent to those skilled in the art that many modifications can be made without departing substantially from the novel matters and effects of the present invention. It will be easy to understand. Accordingly, all such modifications are intended to be included within the scope of the present invention.

例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、リチウムの回収方法の構成、動作も本発明の各実施形態及び各実施例で説明したものに限定されず、種々の変形実施が可能である。   For example, in the specification or the drawings, the terms described together with the broader or synonymous different terms at least once can be replaced with the different terms anywhere in the specification or the drawings. Further, the configuration and operation of the lithium recovery method are not limited to those described in the embodiments and examples of the present invention, and various modifications can be made.

S1 置換工程、S2 吸着工程、S3 溶離工程、S4 再生工程、S101 晶析工程、S102 分離工程、S103 焼成工程、S104 水洗工程 S1 substitution process, S2 adsorption process, S3 elution process, S4 regeneration process, S101 crystallization process, S102 separation process, S103 baking process, S104 water washing process

Claims (6)

リチウム二次電池用正極材料のリチウムとアルミニウムを含有する製造工程排水からリチウムを回収するリチウムの回収方法であって、
前記製造工程排水にイオン交換樹脂を接触させて前記イオン交換樹脂にリチウムイオンを選択的に吸着させる吸着工程と、
前記吸着工程において前記リチウムイオンを選択的に吸着させた前記イオン交換樹脂に酸又はナトリウム塩を含有する水溶液を接触させて前記イオン交換樹脂から前記リチウムイオンを溶離させる溶離工程とを有し、
前記イオン交換樹脂は、カルボキシ基又はそのナトリウム塩型の官能基を有する弱酸性陽イオン交換樹脂であることを特徴とするリチウムの回収方法。
A lithium recovery method for recovering lithium from manufacturing process waste water containing lithium and aluminum of positive electrode material for lithium secondary battery,
An adsorption step of bringing an ion exchange resin into contact with the waste water from the production process to selectively adsorb lithium ions to the ion exchange resin;
And an elution step of causing the lithium ion to be eluted from the ion exchange resin by bringing the aqueous solution containing an acid or a sodium salt into contact with the ion exchange resin in which the lithium ion is selectively adsorbed in the adsorption step;
The method for recovering lithium, wherein the ion exchange resin is a weakly acidic cation exchange resin having a carboxy group or a functional group of its sodium salt type.
前記吸着工程における前記製造工程排水のpHを9以上にすることを特徴とする請求項1に記載のリチウムの回収方法。   The method for recovering lithium according to claim 1, wherein the pH of the production process waste water in the adsorption step is set to 9 or more. 前記吸着工程における前記製造工程排水のリチウム濃度は、0.3g/L以上であることを特徴とする請求項1又は2に記載のリチウムの回収方法。   The lithium concentration of the said manufacturing process waste water in the said adsorption process is 0.3 g / L or more, The collection | recovery method of the lithium of Claim 1 or 2 characterized by the above-mentioned. 前記吸着工程の前にさらに前記イオン交換樹脂に含有される官能基を置換する置換工程を有し、
前記置換工程は、前記官能基を前記カルボキシ基から前記ナトリウム塩型に置換することを特徴とする、請求項1乃至3の何れか1項に記載のリチウムの回収方法。
Before the adsorption step, the method further comprises a substitution step of substituting a functional group contained in the ion exchange resin,
The method for recovering lithium according to any one of claims 1 to 3, wherein in the substitution step, the functional group is substituted from the carboxy group to the sodium salt type.
前記溶離工程の後にさらに前記イオン交換樹脂を再生する再生工程を有し、
前記再生工程は、前記溶離工程において前記ナトリウム塩型からカルボキシ基となった前記官能基を、前記カルボキシ基からナトリウム塩型に置換することを特徴とする、請求項4に記載のリチウムの回収方法。
After the elution step, the method further comprises a regeneration step of regenerating the ion exchange resin,
5. The method for recovering lithium according to claim 4, wherein the regeneration step substitutes the carboxy group from the sodium salt type to the functional group in the elution step from the carboxy group to a sodium salt type. .
前記溶離工程における前記ナトリウム塩は硫酸ナトリウムであることを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載のリチウムの回収方法。   The method for recovering lithium according to any one of claims 1 to 4, wherein the sodium salt in the elution step is sodium sulfate.
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