一種提取鋰的連續離子交換裝置和提鋰工藝的製作方法

2023-09-19 16:10:00

本發明涉及鹽水(含滷水)或海水提鋰工藝的技術領域，具體涉及一種提取鋰的連續離子交換裝置和提鋰工藝。

背景技術：

鋰是一種銀白色的金屬元素，其被廣泛用於可充電電池、玻璃、陶瓷、合金、潤滑劑、醫藥等領域，尤其是可充電鋰電池近年來作為混合動力汽車和電動汽車的主要動力源而受到廣泛的關注。此外，將鋰用於手機、筆記本電腦等現有的小型電池也存在著巨大的市場。因此，整個工業領域中國內和國外對鋰的需求量都很大。

鹽湖滷水型鋰礦床佔世界鋰資源的66％，現有的從鹽湖滷水中提取鋰的方法包括沉澱法、煅燒浸出法、溶劑萃取法、膜分離法、吸附法等，其中吸附法具有工藝簡單、回收率高、環境友好等特點，是最具應用前景的方法。但現有吸附法多為間歇提鋰工藝，無法實現提鋰工藝的快速連續進行，且存在所需的生產設備多、工藝操作複雜、耗時長、投資成本高、鋰的提取率不高等問題。因此，採用傳統的工藝實現提鋰的操作不利於產業發展的需求，不利於鹽湖資源綜合開發利用的開展。

技術實現要素：

本發明的目的在於提供一種提取鋰的連續離子交換裝置和方法，用於解決現有的提鋰工藝無法快速連續地進行，且傳統的提取鋰的方法所需的生產設備較多、工藝操作複雜、耗時長、投資成本高、鋰的提取率低的問題。

為了實現上述目的，本發明的第一技術方案為一種提取鋰的連續離子交換裝置，其特徵在於，所述提取鋰的連續離子交換裝置包括運行基座和多個吸附柱，所述運行基座包括吸附區、淋洗區和脫附區，多個所述吸附柱排布在所述運行基座上，並分布在所述吸附區、所述淋洗區和所述脫附區中設置，

所述吸附區中的吸附柱與原料進液管連通，所述淋洗區中的吸附柱與淋洗進液管連通，所述脫附區中的吸附柱與脫附進液管連通，

所述運行基座上的吸附區、淋洗區和脫附區的位置依次更替。

優選地，所述提取鋰的連續離子交換裝置還包括分配閥，所述分配閥包括旋轉端和固定端，所述分配閥的固定端和旋轉端均開設有相同數量的槽口，

所述旋轉端的每個槽口與對應的每個吸附柱連通，

所述固定端的多個槽口分為吸附區、淋洗區和脫附區，分布在所述吸附區的槽口與原料進液管連通，分布在所述淋洗區的槽口與淋洗進液管連通，分布在所述脫附區的槽口與脫附進液管連通。

優選地，所述運行基座包括轉盤和推動轉盤旋轉的驅動器，多個所述吸附柱呈環形設置在所述轉盤上。

優選地，每個所述吸附柱內均設置有頂層分布器和底層分布器，所述頂層分布器和所述底層分布器的孔徑為2～6mm。

相比於現有技術，本發明所述的第一技術方案提取鋰的連續離子交換裝置具有以下優勢：本發明提取鋰的連續離子交換裝置可使得各吸附柱在吸附、淋洗和脫附操作間依次連續切換，形成鋰提取的連續工藝過程，有效提升了鋰的提取速率，提高了離子交換效率，降低了補充吸附劑量，提高了鹽湖資源綜合開發利用的效益，滿足產業發展的需要。此外，本發明所述的提取鋰的連續離子交換裝置能通過自動化的設備實現，因此縮短了工序操作時間，運行操作過程更加方便，成本較低。

本發明的第二技術方案為一種採用第一技術方案中的提取鋰的連續離子交換裝置的提鋰工藝，其特徵在於，包括如下步驟：

s1：第一周期：運行基座分為吸附區、淋洗區和脫附區，所述吸附區內的吸附柱進行吸附操作即將原料液輸送到吸附區中的吸附柱內，待吸附區中的吸附劑吸附飽和後進入第二周期；

s2：第二周期：運行基座運轉一次，步驟s1中的吸附區更替為淋洗區，步驟s1中的淋洗區更替為脫附區，步驟s1中的脫附區更替為吸附區，吸附區內的吸附柱進行吸附操作即將原料液輸送到更替後吸附區中的吸附柱內，同時，淋洗區內的吸附柱進行淋洗操作即將淋洗液輸送到更替後淋洗區中的吸附柱內；

s3：第三周期：運行基座再次運轉，步驟s2中的淋洗區更替為脫附區，步驟s2中的脫附區更替為吸附區，步驟s2中的吸附區更替為淋洗區，脫附區中的吸附柱進行脫附操作即將脫附液輸送到更替後脫附區中的吸附柱內，同時，淋洗區中的吸附柱進行淋洗操作即將淋洗液輸送到更替後淋洗區中的吸附柱內，吸附區中的吸附柱進行吸附操作即將原料液輸送到更替後吸附區中的吸附柱內；

s4：第四周期：運行基座再次運轉，步驟s3中的脫附區更替為吸附區，步驟s3中的吸附區更替為淋洗區，步驟s3中的淋洗區更替為脫附區，更替後的吸附區、淋洗區和脫附區內吸附柱分別同時進行吸附操作、淋洗操作和脫附操作；

s5：運行基座每間隔一周期運轉一次，吸附區、淋洗區和脫附區依次更替，並且，所述吸附區、所述淋洗區和所述脫附區均分別同時進行吸附操作、淋洗操作和脫附操作。

優選地，每一所述周期的時間為0.5～3h。

優選地，所述脫附液的溫度為20～60℃。

優選地，所述原料液的進料流量為5～20bv/h；所述淋洗液的進料流量為2～10bv/h；所述脫附液的出料流量為5～15bv/h。

優選地，所述原料液從所述吸附柱的底部進料，所述淋洗液和所述脫附液均從吸附柱的頂部進料。

相比於現有技術，本發明所述的第二技術方案提鋰工藝具有以下優勢：採用本發明所述的提鋰工藝可將吸附柱在吸附、淋洗和脫附操作之間進行切換，從而完成鋰的提取操作，並可同時對多個吸附柱進行操作，有效提高了鋰的提取效率。本發明所述的提鋰工藝過程簡單，操作方便，鋰吸附劑的使用量也不大，成本顯著降低，生產效率提高，具有顯著的經濟效益。

附圖說明

通過閱讀下文優選實施方式的詳細描述，各種其他的優點和益處對於本領域普通技術人員將變得清楚明了。附圖僅用於示出優選實施方式的目的，而並不認為是對本發明的限制。在附圖中：

圖1示出了本發明一種提取鋰的連續離子交換裝置的結構示意圖。

標號說明

10-運行基座，20-吸附柱，

21-頂層分布器，22-底層分布器，

30-吸附區，40-淋洗區，

50-脫附區，60-分配閥，

61-固定端，62-旋轉端，

63-槽口，70-原料進液管，

80-淋洗進液管，90-脫附進液管。

具體實施方式

本發明提供了許多可應用的創造性概念，該創造性概念可大量的體現於具體的上下文中。在下述本發明的實施方式中描述的具體的實施例僅作為本發明的具體實施方式的示例性說明，而不構成對本發明範圍的限制。

下面結合附圖和具體的實施方式對本發明作進一步的描述。

圖1為本發明一種提取鋰的連續離子交換裝置的結構示意圖。如圖1所示，提取鋰的連續離子交換裝置包括運行基座10和多個吸附柱20，運行基座10包括有吸附區30、淋洗區40和脫附區50，多個吸附柱20排布在運行基座10上，並且分布設置在吸附區30、淋洗區40和脫附區50中，吸附區30中的吸附柱20與原料進液管70連通，淋洗區40中的吸附柱20與淋洗進液管80連通，脫附區50中的吸附柱20與脫附進液管90連通，運行基座10上的吸附區30、淋洗區40和脫附區50的位置依次更替。

通過原料進液管70將原料液輸送到位於吸附區30的吸附柱20中，所述原料液為含有鋰的液體，例如鹽湖滷水、海水等。吸附柱20中填充有鋰吸附劑，鋰吸附劑是一種能對氣體或液體物料中的鋰具有吸附功能的固體物質，主要包括錳系吸附劑、鋁系吸附劑、鈦系吸附劑和複合銻酸鹽吸附劑。本實施例中的鋰吸附劑採用的是鋁系吸附劑。原料液流經吸附柱20為流動相，利用吸附柱20內鋰吸附劑對原料液中各種不同組分的吸附力大小從而使得各組分分離，鋰被吸附在吸附劑內部。待吸附柱20中的吸附劑吸附飽和後，通過運行基座10的運轉，使得吸附區30到達淋洗區40的位置，淋洗區40到達脫附區50的位置，脫附區50到達吸附區30的位置。在淋洗區40中，通過淋洗進液管80將淋洗液輸送到位於淋洗區40的吸附柱20中，使得在淋洗液的衝洗下，去除掉吸附柱20中大量的原料液，以減少最終產物中的雜質成分，本實施例中的淋洗液為常溫淡鹽水。淋洗操作之後，運行基座10再次運轉，使得淋洗區40到達脫附區50的位置，脫附區50到達吸附區30的位置，吸附區30到達淋洗區40的位置。在脫附區50中，通過脫附進液管90將脫附液輸送到位於脫附區50的吸附柱20中，使得在脫附液的作用下，將鋰從鋰吸附劑中脫附出來，對從吸附柱20中輸出的脫附液進行回收，再經由蒸發等操作，將脫附液中的鋰提取出。此為鋰提取過程中的吸附、淋洗和脫附步驟，在本發明中，由於設置有運行基座10，能使得吸附區30、淋洗區40和脫附區50依次更替，因此在本發明中，吸附區30、淋洗區40和脫附區50中的各吸附柱20可同時均處於工作狀態，從而形成了鋰的連續提取效果。

吸附進液管可直接通入鹽湖滷水的水源中，對鹽湖滷水進行輸送，淋洗進液管80可直接與淡鹽水或自來水水源連接，以實現水流輸送，經過吸附柱20的原料液(鹽湖滷水)或淋洗液均可直接排放到鹽湖滷水的水源中，若本裝置與水源距離較遠，還可設置各類儲罐對原料液、淋洗液等進行儲存。

通過設置有運行基座10對任意一個或一組吸附柱20均能快速高效地切換其運行模式，使得鋰在提取的過程中能高效快速地進行，同時運行基座10上位於吸附區30、淋洗區40和脫附區50中的吸附柱20均能同時進行相應的操作。本實施例有效提高了鋰提取的速率，提高了離子交換效率，降低了補充吸附劑量，提高了鹽湖資源綜合開發利用的效益，滿足產業發展的需要。

位於吸附區30、淋洗區40和脫附區50中吸附柱20的數量以及各吸附柱20相互之間的關係，需根據原料進液管70的流量大小、淋洗進液管80的流量大小、脫附進液管90的流量大小以及吸附、淋洗和脫附所需的時間來確定，使得在一個周期內，吸附區30中的吸附柱20完成吸附操作，淋洗區40中的吸附柱20完成淋洗操作，脫附區50中的吸附柱20完成脫附操作。各吸附柱20之間的關係包括獨立、串聯和並聯。

進一步，為了提高本發明的自動化程度，本實施例提取鋰的連續離子交換裝置還包括分配閥60，所述分配閥60包括旋轉端62和固定端61，分配閥60的固定端61和旋轉端62均開設有相同數量的槽口63，其中，旋轉端62的每個槽口63與對應的每個吸附柱20連通，固定端61的多個槽口63分為吸附區30、淋洗區40和脫附區50，分布在吸附區30的槽口63與原料進液管70連通，分布在淋洗區40的槽口63與淋洗進液管80連通，分布在脫附區50的槽口63與脫附進液管90連通。

原料液、淋洗液和脫附液分別通過吸附區30、淋洗區40和脫附區50中固定端61上的槽口63輸入，再經由與每個固定端61上的槽口63對應的旋轉端62的槽口63向吸附柱20中輸送。旋轉端62會隨著所對應的吸附柱20的移動而移動，即在初始位置時，吸附區30中的吸附柱20連通的旋轉端62吸附槽口63與固定端61中位於吸附區30的槽口63對應設置，使得原料液經由位於固定端61上吸附區30的槽口63和對應的旋轉端62上的吸附槽口63輸入到吸附柱20中，淋洗區40中的吸附柱20連通的旋轉端62淋洗槽口63與固定端61中位於淋洗區40的槽口63對應設置，使得淋洗液經由位於固定端61上淋洗區40的槽口63和對應的旋轉端62上的淋洗槽口63輸入到吸附柱20中，脫附區50中的吸附柱20連通的旋轉端62脫附槽口63與固定端61中位於脫附區50的槽口63對應設置，使得脫附液經由位於固定端61上脫附區50的槽口63和對應的旋轉端62上的脫附槽口63輸入到吸附柱20中。當位於吸附區30的吸附柱20吸附飽和、位於淋洗區40的吸附柱20完成淋洗操作，位於脫附區50的吸附柱20完成脫附操作後，運行基座10一次運轉，使得吸附區30中的吸附柱20到達淋洗區40，淋洗區40中的吸附柱20到達脫附區50，脫附區50中的吸附柱20到達吸附區30，相應的，旋轉端62也進行運轉，與運轉前的吸附區30中吸附柱20連通的吸附槽口63隨著吸附柱20的位置轉換也相應地轉移到淋洗區40切換為淋洗槽口63，並與固定端61中位於淋洗區40的槽口63相對應，使得淋洗液通過固定端61上位於淋洗區40的槽口63和旋轉端62運轉後所對應的淋洗槽口63輸出，與運轉前的淋洗區40中的吸附柱20連通的淋洗槽口63隨著吸附柱20的位置轉換也相應地轉移到脫附區50切換為脫附槽口63，並與固定端61中位於脫附區50的槽口63相對應，使得脫附液通過固定端61上位於脫附區50的槽口63和旋轉端62運轉後所對應的脫附槽口63輸出，與運轉前的脫附區50中吸附柱20連通的脫附槽口63隨著吸附柱20的位置轉換也相應地轉移到吸附區30切換為吸附槽口63，並與固定端61中位於吸附區30的槽口63相對應，使得吸附液通過固定端61上位於吸附區30的槽口63和旋轉端62運轉後所應的吸附槽口63輸出，進行第二周期的吸附、淋洗和脫附操作。旋轉端62在運轉的過程中，旋轉端62上的槽口63和固定端61上的槽口63呈錯位設置，此時，旋轉端62堵塞住了固定端61上的槽口63的出口，因此，在吸附柱20位置切換的過程中，原料液、淋洗液和脫附液均不會從固定端61上的槽口63溢出。在第二周期結束後，運行基座10、旋轉端62再次運轉到達相應的位置，進入第三周期，隨著時間的推移，運行基座10、旋轉端62按照上述過程每一周期運行一次，形成了連續的提鋰工藝。

當然，本實施例中可設置有控制器，來控制運行基座10和旋轉閥的運轉。

本實施例通過設置包含有旋轉端62和固定端61的分配閥60，使得整個提鋰工藝實現了連續自動化的運行，在各個周期向不同的吸附柱20中輸送的原料液、淋洗液和脫附液均可自動切換，大大提高了鋰的提取效率，減少了人力的投入，操作模式方便快捷，縮減了生產成本，利於廣泛推廣使用。

另外，本實施例中的運行基座10包括轉盤和推動轉盤旋轉的驅動器(附圖中未示出)，多個吸附柱20呈環形設置在轉盤上。

吸附柱20沿轉盤圓周設置，環繞轉盤圓心呈360°分布，每三個周期為一次循環，轉盤完成依次循環運轉360°，回到原始位置。即在每一周期中位於吸附區30中的吸附柱20經過淋洗區40和脫附區50，回到吸附區30，完成一次吸附、淋洗和脫附操作。每一周期的運轉均通過驅動器來驅動，使得轉盤按照驅動器中的設定運轉相應的角度，實現吸附區30、淋洗區40和脫附區50的更替。

本實施例中轉盤的設置更利於對吸附柱20中操作的切換，吸附柱20排布整齊，切換過程高效快捷，進一步提升了本實施例的自動化程度和運行效率。

需要說明的是，本實施例中每個吸附柱20內均設置有頂層分布器21和底層分布器22，分布器的孔徑為2～6mm。

分布器能使液體在塔橫截面上均勻分布，從而保證塔內高效率地操作。本實施例中的頂層分布器21和底層分布器22分別緊貼吸附柱20的頂端和底端設置，在頂層分布器21和底層分布器22之間形成裝載區域，在裝載區域的底部填充直徑為3～6mm石子或惰性氧化鋁球等其他耐磨材質覆蓋底層分布器22，在裝載區域的頂部填充直徑為2～6mm聚丙烯小球或其他密度較小的材質覆蓋頂層分布器21，裝載區域中間填充有鋰吸附劑。按頂部進料方式和流體分布要求，分布器的孔徑設定為2～6mm。

本實施例，每個吸附柱20中均設置有頂層分布器21和底層分布器22，利於原料液、淋洗液和脫附液在吸附柱20中的傳輸，提高了吸附效率、淋洗效率和脫附效率。

本發明還提供了一種提鋰工藝，為採用上述提取鋰的連續離子交換裝置的提鋰工藝，按照如下步驟進行，在提取鋰的連續離子交換裝置啟動後，進入第一周期的運行，即步驟s1。在第一周期中，使得吸附區30內的吸附柱20進行吸附操作，即將原料液輸送到吸附區30中的吸附柱20內，待吸附劑吸附飽和後進入第二周期的運行。其中，輸送原料液的原料進液管70道一端直接伸入鹽湖中或與原料儲罐相連，向吸附區30中輸送的原料液為經過濾去除泥沙後的鹽湖滷水，避免了泥沙對吸附柱20中鋰吸附劑的損害。原料液的進料流量通過設置在進料管道上的流量計控制為5～20bv/h，且原料液採用的是從吸附柱20的底部輸入，向吸附柱20的頂部流動的方式，更利於原料液在吸附柱20中與吸附柱20內部的吸附劑的接觸，從而提高吸附效率，同時也能減少吸附塔內的偏流和進料時原料液對吸附劑的衝刷，降低吸附劑的破損。經吸附柱20後，原料液中的大部分鋰被吸附柱20所吸附，吸附處理後的原料液從吸附柱20的頂部輸出，進行排放，可直接排放到鹽湖中。

第一周期，待吸附區30中的吸附柱20吸附飽和後進入第二周期的運行即步驟s2。運行基座10運轉一次，步驟s1中的吸附區30更替為淋洗區40，步驟s1中的淋洗區40更替為脫附區50，步驟s1中的脫附區50更替為吸附區30，更替後的吸附區30內的吸附柱20進行吸附操作，即將原料液輸送到更替後的吸附區30中的吸附柱20內，更替後的淋洗區40內的吸附柱20進行淋洗操作，即將原料液輸送到更替後的淋洗區40中的吸附柱20內，對完成吸附操作的吸附柱20進行淋洗處理，使得殘留在吸附柱20中的原料液在淋洗液的衝洗下排出，從而減少最終脫附出的液體中的雜質即減少最終提取出的鋰中的雜質，所述淋洗液採用的是淡鹽水或自來水，本實施例中為了減少成本，對於首次使用的淋洗液可採用中間儲罐進行回收，再次用作淋洗液，經二次使用的淋洗液再進行排放，可直接排放至鹽湖。上述淋洗液採用的是從吸附柱20的頂部輸入底部排放的方式，提升了淋洗液在吸附柱20內的衝洗效果，淋洗液的進料流量通過淋洗進料管道上的流量計控制為2～10bv/h。

在第二周期中，完成淋洗區40的淋洗操作，且同時完成吸附區30的吸附操作，之後進入第三周期的運行即步驟s3。運行基座10再次運轉，則步驟s2中的淋洗區40更替為脫附區50，步驟s2中的脫附區50更替為吸附區30，步驟s2中的吸附區30更替為淋洗區40，更替後的脫附區50內的吸附柱20進行脫附操作，即將脫附液輸送到更替後的脫附區50中的吸附柱20內，脫附操作是指將吸附劑中所吸附的物質脫除，以使其進入脫附液的操作。本實施例中的脫附液採用的是溫熱的淡鹽水或溫熱的自來水，所使用的脫附液的溫度為20～60℃，溫熱的脫附液能加速鋰從吸附劑上的脫附，上述脫附液採用的也是從吸附柱20的頂部輸入底部排出的方式，由於吸附劑在脫附時會收縮，通過上進料的方式能達到對吸附劑更好的衝刷作用，同時，脫附操作採用上進料的方式，吸附操作採用下進料的方式，使得吸附塔內的吸附劑保持一定的鬆散程度，有利於吸附柱20吸附效率的提高。對輸出的脫附液整體進行全部回收，以提高鋰的最終產量，再經由蒸發等操作使得脫附液中的鋰析出，為了保證脫附效率，控制所述脫附液的出料流量為5～15bv/h。更替後的淋洗區40中的吸附柱20進行淋洗操作，即將淋洗液輸送到更替後的淋洗區40中的吸附柱20內，更替後的吸附區30中的吸附柱20進行吸附操作，即將原料液輸送到更替後的吸附區30中的吸附柱20內。

在第三周期中，吸附區30中的吸附操作、淋洗區40中的淋洗操作和脫附區50中的脫附操作為同時進行，當各項操作均完成時，則進入第四周期的運行即步驟s4。運行基座10再次運轉，步驟s3中的脫附區50更替為吸附區30，步驟s3中的吸附區30更替為淋洗區40，步驟s3中的淋洗區40更替為脫附區50，在更替後的吸附區30、淋洗區40和脫附區50中分別同時進行吸附操作、淋洗操作和脫附操作，所述吸附操作、淋洗操作和脫附操作同步驟s1、s2和s3中的吸附操作、淋洗操作和脫附操作。

隨著時間的推移，逐步進入第五周期、第六周期、第七周期……運行基座10每間隔一個周期運轉一次，吸附區30、淋洗區40和脫附區50相應依次更替，在每個周期中，吸附區30、淋洗區40和脫附區50分別同時進行吸附操作、淋洗操作和脫附操作。每一周期的時間間隔設定為5～3h，根據原料液的進液流量、淋洗液的進液流量和脫附液的進液流量等因素在具體生產過程中確定。

本實施例所述的提鋰工藝過程簡單，操作方便，鋰吸附劑的使用量不大，相比於傳統的鋰提取的工藝顯著降低了生產成本，並提高了生產效率，且整個操作過程環保無汙染，適用範圍廣泛，具有顯著的經濟效益。

應該注意的是，上述實施例對本發明進行說明而不是對本發明進行限制，並且本領域技術人員在不脫離所附權利要求的範圍的情況下可設計出替換實施例。在權利要求中，不應將位於括號之間的任何參考符號構造成對權利要求的限制。單詞「包含」不排除存在未列在權利要求中的元件或步驟。