蒸发母液中沉锂工艺经济性的研究

刘冰冰

（西藏阿里拉果资源有限责任公司，西藏 阿里 859000）

1 前言

锂盐产品被广泛应用于各行各业［1］，其重要性已经不言而喻。随着诸多电子产品、新能源汽车的不断发展，锂电池［2］已经成为人们生活中不可或缺的一部分，因此对其数量及质量的需求也在不断攀升。碳酸锂是锂盐生产过程中重要的产品之一，蒸发母液［3］中的锂元素已经达到了较高浓度，如何高效利用蒸发母液中的锂元素，获得最优回收率和最优产品品质［4-7］，是每一个生产企业至关重要的一环，直接决定生产效益的好坏。文章通过两种不同工艺，进行三种不同条件下蒸发母液沉锂实验研究［8-11］，对实验方法［12］、实验流程及路线进行了阐述［13-17］，对两种工艺三种不同条件下的综合成本、经济效益、投资回收期等进行了分析。

2 实验部分

2.1 实验原料和仪器

实验原料组成见表1，pH值为14。

表1 实验原料组成Tab.1 Composition of experimental raw materials

吸附剂：钠分离树脂为有机树脂颗粒，骨架为苯乙烯二乙烯苯。吸附原理是依靠吸附材料上特殊的弱酸官能团，在碱性环境下将锂离子捕捉到锂吸附材料上，然后在解析时酸溶液流经锂吸附材料，将锂吸附材料上捕捉的锂解析下来。

当溶液中pH值为碱性时，与锂离子置换出来的氢离子被氢氧根消耗，有利于反应向右进行，从而达到吸附锂的目的。

实验所用仪器设备见表2。

表2 实验所用仪器设备Tab.2 Instruments and equipments used in the experiment

2.2 实验方法

文章通过吸附法沉锂、碳酸钠直接沉锂两种方法对蒸发母液中的锂资源进行开发利用和研究。

锂钠分离：通过锂钠分离树脂除去蒸发母液中钠、钾离子，同时富集锂离子；碳酸钠沉锂：利用碳酸锂微溶于水的特性，在锂钠分离解析液中加入碳酸钠，使液相中的锂以碳酸锂的形式沉淀得到产品；洗涤：利用各类无机盐溶解度不同，将粗碳酸锂中的可溶性杂质盐洗出，提高产品纯度；粉碎：通过粉碎，达到下游客户对产品粒度的要求；除磁：通过除磁，达到下游客户对产品磁性物的要求。

2.2.1 吸附法从蒸发母液中回收锂

锂钠分离盐酸解析实验方法。通过锂钠分离树脂除杂和浓缩后得到氯化锂溶液，使用碳酸钠沉锂。具体工艺流程：锂钠分离→碳酸钠沉锂→离心分离→洗涤→离心分离→干燥、粉碎、包装，实现蒸发母液回收再利用，实验路线见图1。

图1 锂钠分离盐酸解析实验路线图Fig.1 Roadmap of hydrochloric acid analytical test for separation of lithium sodium

锂钠分离硫酸解析实验方法。通过锂钠分离树脂除杂和浓缩后得到氯化锂溶液，使用碳酸钠沉锂。具体工艺流程：锂钠分离→碳酸钠沉锂→离心分离→洗涤→离心分离→干燥、粉碎、包装，实现蒸发母液回收再利用，实验路线见图2。

图2 锂钠分离硫酸解析实验路线图Fig.2 Analytical roadmap of lithium sodium separation sulfuric acid

2.2.2 碳酸钠直接沉锂

通过添加碳酸钠直接升温沉锂得到碳酸锂粗矿。具体工艺流程：沉锂母液→碳酸钠升温沉锂→离心分离→洗涤→离心分离→干燥、包装，实现蒸发母液回收再利用，实验路线见图3。

图3 碳酸钠直接沉锂实验路线图Fig.3 Direct deposition of lithium by sodium carbonate

2.3 分析方法

其中，Li+、K+、Na+、Ca2+、Mg2+等金属离子以及B和SO采用ICP-OES 分析，Cl-采用标准硝酸银溶液滴定，CO采用标准盐酸溶液滴定。

3 结果与讨论

3.1 吸附法盐酸解析效果分析

通过实验得到，直接沉淀、吸附—解析—沉淀工艺均可以得到碳酸锂产品，但锂收率及碳酸锂品质存在差异，具体工艺数据见表3。

表3 三种回收工艺指标对比Tab.3 Comparison of three kinds of recovery process indexes %

3.2 三种工艺经济性对比

因蒸发母液为蒸发系统副产物，无需原料消耗，因此整个生产成本的核心为辅料，约占90%，其他如水、电、气、蒸汽、人工、包装袋等，约占10%。蒸发母液供给量按每天68 m3计，可日产3.92 t 碳酸锂。以此为基准，三种工艺的吨产品综合成本分析见表4～6及图4。

图4 三种沉锂工艺的吨产品综合成本分析Fig.4 Comprehensive cost analysis of product per ton for three kinds of lithium deposition process

表4 吸附法盐酸解析吨产品综合成本分析Tab.4 Comprehensive cost analysis of tons of products by adsorption hydrochloric acid analysis 元/t

3.3 成本分析

（1）吸附法盐酸解析吨产品综合成本分析，见表4。

（2）吸附法硫酸解析吨产品综合成本分析，见表5。

表5 吸附法硫酸解析吨产品综合成本分析Tab.5 Comprehensive cost analysis of tons of products by adsorption sulfuric acid analysis 元/t

（3）碳酸钠直接沉锂吨产品综合成本分析，见表6。

表6 碳酸钠直接沉锂吨产品综合成本分析Tab.6 Comprehensive cost analysis of sodium carbonate directly deposited lithium tons 元/t

由图表可知，碳酸钠直接沉锂吨产品综合成本最低，吸附法盐酸解析吨产品综合成本最高，吸附法硫酸解析吨产品综合成本居中，主要影响因素为辅助原料、耗电量和设备折旧费用，其中辅助原料费用的影响最大。

3.4 经济效益分析

吸附工艺过程收率按85%计，碳酸钠直接沉锂过程收率按76%计，全年生产期按300 d 计，通过对三种沉锂工艺的产能、销售额的对比来分析经济效益，见表7、表8及图5。

图5 三种沉锂工艺的年销售额分析Fig.5 Analysis of annual sales of three kinds of lithium deposition processes

表7 吸附法沉锂工艺产能、销售额分析Tab.7 Analysis of production capacity and sales of lithium deposition process by adsorption method

表8 碳酸钠直接沉锂工艺产能、销售额分析Tab.8 Analysis of production capacity and sales of sodium carbonate direct deposition of lithium

由图、表可知，吸附沉锂工艺的年产能比碳酸钠直接沉锂工艺要低，所得产品的品位高，销售单价高，所以年销售额高于碳酸钠直接沉锂工艺。但吸附沉锂工艺较为复杂，碳酸钠直接沉锂工艺较为简单。

3.5 投资回收期分析

对于吸附法盐酸/硫酸解析沉锂工艺，所涉及到的投资有两部分，分别为厂房投资和设备投资。初步概算厂房投资需2 300万元、设备投资需4 636万元，合计6 936 万元，外加其他投资累计7 016 万元，投资回收期估算分析见表9、表10。

表9 吸附法盐酸解析工艺投资回收期估算分析Tab.9 Analysis of investment payback period of adsorption hydrochloric acid analysis process

表10 吸附法硫酸解析工艺投资回收期估算分析Tab.10 Estimated analysis of the investment payback period of sulfuric acid analysis process by adsorption method

对于碳酸钠直接沉锂工艺所涉及到的投资有两部分，分别为厂房投资和设备投资。初步概算厂房投资需2 300 万元、设备投资需400 万元，合计2 700 万元，其他小额投资暂不计入，投资回收期估算分析见表11。

表11 碳酸钠直接沉锂工艺投资回收期估算分析Tab.11 Estimate and analysis of investment payback period of sodium carbonate direct deposition of lithium technology

由表8～11 及图6 可知，吸附法盐酸和硫酸解析沉锂工艺的投资回收期基本一致，且随着销售单价的提高而缩短，最长投资回收期约为89 d，最短投资回收期约为45 d。碳酸钠直接沉锂工艺投资回收期明显短于吸附法沉锂工艺，其关键在于该工艺的设备投资显著低于吸附法沉锂工艺，最长投资回收期为42 d，比吸附法最短回收期还要短，其最短投资回收期仅为21 d。

图6 三种沉锂工艺的投资回收期分析Fig.6 Analysis of the payback period of three kinds of lithium deposition processes

4 总结

吸附法盐酸或硫酸解析工艺中辅助原料盐酸、硫酸以及生产设备的购买投资较大，导致生产成本较碳酸钠直接沉锂工艺要高很多，且盐酸的投资显著高于硫酸，该工艺生产的锂盐产品品位较高，销售单价较高；而碳酸钠直接沉锂工艺，投资较少，但产出的锂盐产品品位较低，销售价格较低，年产能显著高于吸附法沉锂工艺。结合当前锂盐产品的市场价格，两种沉锂工艺均有很可观的经济效益，投资回收期都很短，且碳酸钠直接沉锂工艺，因不需要酸性物质、工艺简单、年产能较大等优势，其投资回收期最短。

两种沉锂工艺中也存在一定的问题，首先是吸附法盐酸或硫酸沉锂工艺中，酸的耗量是此工艺的关键点，需进一步深入考察离子交换系统工艺参数和氯化锂解析浓度；而在碳酸钠直接沉锂工艺过程中，未对沉锂母液除杂且引入钠离子，导致沉锂过程中其他盐类析出，得到的锂盐产品纯度不高，销售价格较低，今后在沉锂母液除杂及锂盐产品纯度方面应进行深入研究。