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美国能源部尝试用氢氧化铝提取锂

发布日期:2024-04-28     64 次

美国能源部橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory,ORNL)的化学家证实,地壳中一种广泛存在的矿物氢氧化锂对锂的吸附能力比以前使用的吸附剂高出5倍。

利用新研制的工艺从矿山、油田和旧电池渗出的废液提取锂,研究人员证实氢氧化铝可作为硫酸锂的吸附剂并保留它。

“与其他直接提锂方法相比,这种工艺的关键优势是适用的PH值范围广,可从5到11”,ORNL研究员和论文作者帕兰斯·帕兰萨曼(Parans Paranthaman)在媒体发布会介绍此项发现时称。

此项正在申请专利的无酸提取工艺在140摄氏度下进行,而传统工艺为焙烧开采矿石:若用酸,温度为250度,不用酸,温度为800-1000摄氏度。

这项技术原理是锂化,即氢氧化铝粉末从溶剂中提取锂离子形成稳定的二元层状氢氧化物,或LDH(Layered double hydroxide)。然后在脱锂过程中,用热水处理使得LDH释放锂离子并再生成吸附剂。在再锂化过程中,吸附剂可重用来提取更多锂。

“这就是循环利用的基础”,帕兰萨曼称。

快速反应

氢氧化铝以4个高度有序的多晶体和一个无序的无定型形式存在。

形态对于吸附剂功能发挥很关键。

“根据量热仪测定,我们发现无定型是最不稳定的氢氧化铝形态,因此活性高”,本项研究共同作者贾扬蒂·库马尔(Jayanthi Kumar)称。“这是提高锂萃取能力的关键”。

由于无定型氢氧化铝是此种矿物最不稳定的形态,当遇到废粘土渗出的卤水时,会同其中的锂发生天然反应。

“只有通过测量,我们才认识到无定型是最不稳定的形态。这也是其更具活性的原因”,库马尔称。“与其他形态性比,要获得稳定性,其反应速度很快”。

回收锂的两个步骤

吸附剂可以从含锂、钠和钾的溶液中选择性吸附锂并形成LDH硫酸盐,库马尔正在对此工艺优化。

研究人员使用扫描电子显微镜对氢氧化铝锂化过程中的形态进行观察。这是一种带电的中性层,含有原子空位或微孔。锂在这些位置被吸附。空位大小是氢氧化铝选择性吸附锂的关键,锂是一种带正电的离子或阳离子。

“空位很小,只适合锂这样大小的阳离子”,库马尔称。“钠和钾阳离子半径更大。更大的阳离子不适合这种空位。不过,对于锂来说是完美的空位”。

无定型氢氧化铝对锂的选择性吸附能带来近乎完美的效率,比以前用来提锂的氢氧化锂晶体三水铝石高出5倍。

锂化第一步能从矿山或油田的渗滤液或卤水中提取86%的锂。浸液从无定型氢氧化铝第二次经过就可以提取剩余的锂。“经过两步,就可以完全回收锂”,帕兰萨曼称。

工艺更绿色

普渡大学的文卡特·罗伊(Venkat Roy)和赵浮分析了直接提锂循环利用全生命周期效益。他们将ORNL工艺同使用碳酸钠的标准方法进行了对比,结果发现,ORNL技术使用材料和能量减少了2/3,因此排放的温室气体更少。

下一步,研究人员希望扩大工艺来提取更多的锂,并产生特定形态的吸附剂。现在,当无定型氢氧化铝与锂反应随后用热水处理清除锂并再生吸附剂时,结果导致氢氧化铝结构发生变化,从无定型转化为名为三羟铝石的晶体。

“三羟铝石活性较小”,库马尔称。“要发生反应,要么时间长达18个小时,要个需要更高浓度的锂,而无定型氢氧化铝仅需3个小时就能从浸液中提取所有锂。我们需要找到一条回到无定型态的途径,无定型态是极易反应的”。

科学家们相信,如果新工艺优化后能够提高萃取速度和效率,将根本改变国内锂供应。世界陆地锂储量一半以上位于溶解矿物含量高的地方,比如加利福尼亚州的萨尔顿海或德克萨斯州以及宾西法尼亚洲的油田。

“国内看,实际上目前我们不具备锂制造能力”,帕兰萨曼称。“北美地区锂产量仅占全球的2%。如果我们采用ORNL工艺,就可以利用美国各地的锂资源。这种吸附剂性能非常好,可以适用于任何卤水,甚至可用于锂离子电池回收液”。


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