CWL-M型离心萃取机在沉锂母液回收锂中的应用

李国伟，郝文艺，李瑞琛，张书锋

(郑州天一萃取科技有限公司，河南 郑州 450001)

由于锂电池在消费电子以及电动汽车行业中的应用，使得锂资源的需求得到了显著的提升，碳酸锂(Li2CO3)是生产正极材料的基础原材料。根据地质调查局的报告，电池行业锂产品的消费占比为39%，预计2025年锂电池生产过程中锂需求增加约70%，锂资源呈现供不应求的局面。目前锂原料主要有锂矿石、盐湖卤水和二次锂资源。碳酸锂产品是由净化后的高浓度硫酸锂或者氯化锂溶液经过碳酸钠沉淀得到的。由于碳酸锂具有一定的溶解度，沉淀后母液中仍含有大量的锂，同时含有大量钠以及残余的碳酸根离子，溶液呈碱性，锂在母液中难以回收。实现沉锂母液中锂的高效回收，提高整体工艺流程中的锂回收率成为近年来的研究重点。

1 沉锂母液回收锂的方法

目前沉锂母液回收锂的方法主要有磷酸锂法、加酸浓缩法、加酸自循环和溶剂萃取法。不同回收方法工艺对比如下：①磷酸锂法。优点：回收率较高，其回收率达到90%；缺点：磷酸锂价格较低，成本较高，经济效益不高。②加酸浓缩法。优点：工艺简单，投入较小，可以得到高纯度的氯化锂溶液；缺点：回收率较低，一般为70%。生产周期较长。③加酸自循环。优点：可以利用现有工艺，几乎没有投入，锂几乎没有损失；缺点：流程长、占用现有的生产线，不能增加产量，降低原有的产能。④溶剂萃取法。优点：分离效率高、回收率高、能耗低、处理量大；缺点：对萃取设备要求高。

实现萃取分离效果的关键因素是选择合适的萃取设备，传统的萃取分离设备主要有混合澄清槽和萃取塔，存在料液存留量大、占地面积大、传质效率低以及有机相损失大等问题。而CWL-M型离心萃取机是新一代的高效快速萃取分离设备，可以快速建立平衡，根据不同的混合体系要求，调整混合与分离的部件，满足萃取效率高、传质级效率高以及能耗低的要求。

2 新型离心萃取机结构及工作原理

离心萃取机是一种通过离心力有效提取和分离液液两相的设备，可以实现液液两相传质、反应、萃取、洗涤、分离等功能。CWL-M新型离心萃取机采用上悬式单支点结构，无底部机械密封。同时转鼓上方轴承采用双极迷宫密封装置，确保设备内部气体泄漏。离心萃取机工作时利用电机带动转鼓高速转动，密度不同且互不相溶的两种液体(密度大的一相称为重相，密度小的一相称为轻相)按照一定的流比分别从两个进料口进入转鼓和壳体之间的混合区，使两相快速混合，完成萃取传质过程。混合液在涡流盘的作用下进入转鼓，混合液与转鼓同步旋转，在离心力的作用下，密度大的重相在向上流动过程中逐步远离转鼓中心而靠向转鼓壁；密度小的轻相逐步远离转鼓壁而靠向中心，澄清后的两相液体最终通过各自堰板进入收集室，并由出料管分别引出机外，完成两相分离过程。

3 离心萃取法回收沉锂母液中锂的原理

沉锂母液经调pH值后与萃取剂在离心机中充分混合，沉锂母液中的Li在萃取过程中以Li+形式存在。由于沉锂母液与萃取剂互不相溶，在离心萃取机中存在两种液相：沉锂母液和萃取剂。通过搅拌，产生很大的相界面，使两相充分接触，Li+被萃取剂选择性萃取，从含大量Na+的沉锂母液中分离出来，从而达到分离和提纯目的。提取过程如下：

由于沉锂母液与萃取剂之间有密度差，在离心力作用下产生分层，从而实现分离的目的。以萃取剂为主，并含有较多的锂为萃取相，以沉锂母液为主，并残有少量锂为萃余相。反萃则是利用萃取反应的逆过程，采用盐酸或者硫酸溶液与含有锂的萃取相进行混合，在离心萃取机内实现混合与分离，得到高浓度的锂溶液和空白有机相。

4 在沉锂母液回收锂中的应用

根据相关数据可知，年产1万t碳酸锂的生产线每小时产生15 m3的沉锂母液。本试验所处理的沉锂母液取自青海某盐湖企业，主要成分见表1。

表1 沉锂母液主要成分

优化后的萃取工艺条件：采用该萃取体系，萃取段相比(O/A)=1∶(1～1.5)；经过两级萃取后，负载有机采用洗酸洗涤，洗涤相比(O/A)=(10～15)∶1；最后采用6 mol/L盐酸进行两级反萃，反萃相比(O/A)=(15～20)∶1，反萃后有机相循环使用。高锂溶液经碳酸钠沉淀得到碳酸锂产品。以上萃取过程沉锂母液的流量为15 m3/h，有机相流量为10～15 m3/h，针对该混合通量选用CWL650-M型离心萃取机，设备技术参数见表2。离心萃取法回收沉锂母液中锂的工艺流程如图1所示。

图1 离心萃取法回收沉锂母液中锂流程简图

表2 CWL650-M型离心萃取机技术参数

沉锂母液先调节pH值，过滤除去部分结晶物，滤液进入离心机萃取段，萃取后的萃余液进入后续污水处理，含有锂的萃取相进入洗涤工序进行离心洗涤，然后进入离心反萃，得到的空载有机循环使用，高锂母液进入沉锂工段进行沉锂。

该工艺生产线于2021年9月下旬投入使用，处理沉锂母液15～20 m3/h。目前中试线运行稳定，获得的高浓度氯化锂溶液成分含量稳定(如表3所示)，可直接用于生产电池级碳酸锂。

表3 高浓度锂溶液主要成分

5 结论

目前国内市场碳酸锂价格高达50万元/t。采用离心萃取法直接从沉锂母液中回收锂，可提高锂的整体回收率，降低生产成本，解决沉锂母液回收锂的难题，使含锂资源得以综合开发利用，从而实现产业链的增长。CWL-M型离心萃取机应用于沉锂母液回收锂，与传统的混合澄清槽、萃取塔相比，具有萃取效率高，有机挟带量少，萃取平衡时间短，可实现即开即停、在线清洗，沉锂母液中锂回收率较高且杂质金属分离效果好，适宜工业化推广应用。