利用短流程、低能耗技术从废弃铝电解槽渣中选择性分离锂并制备碳酸锂

《Separation and Purification Technology》：Selective separation of lithium and preparation of lithium carbonate from spent aluminum electrolyte slag using short-process and low-energy consumption technology

铝电解废渣中锂回收采用低温硫酸铝焙烧（600℃）、水浸、HBL121萃取（91.20%锂回收率）、CO?反萃制备Li2CO3新工艺，实现无酸碱条件、低能耗（热分解95℃）和高效（锂总回收率＞95%）回收，破解传统工艺高污染、低效率难题。

　　在当今社会，锂作为“21世纪的能源金属”，因其在电池、航空航天、新能源等领域的重要应用而备受关注。随着电动汽车市场的迅猛发展以及可再生能源存储需求的持续上升，锂资源的长期可用性问题日益凸显。然而，锂资源的分布不均且储量有限，使得从低品位、难处理、复杂锂矿中提取锂成为一项重大挑战。因此，如何高效、环保地回收锂资源，尤其是从工业废料中提取锂，成为当前研究的重点。

在铝电解过程中，会产生大量的铝电解废渣，其中不仅含有大量的铝和氟，还富含锂元素。这种废渣被视为一种潜在的二次锂资源，具有较高的回收价值。然而，现有的锂回收技术在实际应用中存在诸多限制，如氟污染、锂回收效率低、残渣量大、能耗高以及工艺流程复杂等。这些问题不仅影响了锂的回收率，还对环境造成了潜在威胁，尤其是在处理含氟废渣时，若直接丢弃，氟元素会通过雨水和阳光作用逐渐渗入土壤和地下水，造成严重的环境污染和健康风险。

为了解决这些问题，本研究提出了一种创新的锂回收工艺，该工艺包括低温硫酸铝转化焙烧、水浸、HBL121萃取锂、二氧化碳剥离锂以及一步法制备碳酸锂。通过该工艺，可以在相对较低的温度下（600?°C）将原本难以溶出的Na?LiAlF?转化为可溶的Li?SO?，从而实现对锂的高效提取。这一过程不仅降低了能耗，还减少了对环境的污染，同时避免了传统方法中使用酸碱所带来的设备腐蚀和废弃物排放问题。

在该工艺中，经过低温焙烧后的废渣可以直接通过水浸处理，实现锂与铝的分离。这一阶段的关键在于，通过焙烧过程破坏Na?LiAlF?的晶体结构，使其转化为可溶性的Li?SO?，而氟和铝则以固态形式保留下来。这样处理后，锂可以被直接提取，而无需额外的酸碱处理，从而简化了整个工艺流程，降低了生产成本。

接下来，获得的低浓度锂溶液可以通过HBL121萃取技术进行锂的富集。HBL121是一种新型的锂萃取剂，能够高效、选择性地从溶液中提取锂元素，同时不影响其他金属的回收。与传统方法相比，HBL121萃取技术具有更高的回收效率，能够实现对锂的高效提取，同时避免了使用强酸强碱所带来的腐蚀问题。此外，HBL121萃取技术的工艺流程更加简单，减少了生产周期和能耗。

在萃取阶段之后，通过二氧化碳作为剥离剂，将锂富集在有机相中的锂转化为碳酸锂。这一过程不仅提高了锂的回收率，还进一步简化了工艺流程。与传统的蒸发浓缩和碳酸钠沉淀法相比，HBL121–CO?剥离法无需使用酸碱和碳酸钠，降低了生产成本和对环境的影响。同时，该方法的能耗更低，有助于实现可持续的锂资源回收。

最后，通过热分解（95?°C，30?min）将锂氢碳酸（LiHCO?）转化为碳酸锂（Li?CO?）。这一过程在较低的温度下完成，不仅节省了能源，还避免了高温处理可能带来的其他问题。整个工艺流程的优化使得锂的回收效率显著提高，同时减少了废渣的处理量和环境负担。

在材料和表征方面，本研究使用的铝电解废渣来自中国南方的一家铝冶炼公司。通过研磨和80目筛分，得到了均匀的样品。分析结果显示，废渣中的锂主要以Na?LiAlF?和LiF的形式存在。这一信息为后续的工艺设计提供了重要的基础，帮助研究人员确定最佳的处理条件和方法。

在选择性焙烧转化锂的阶段，研究重点在于如何在较低温度下实现对Na?LiAlF?的分解。由于Na?LiAlF?的结构与氟化钠（Na?AlF?）和氟化锂（Li?AlF?）相似，研究团队基于这些类似物质的热力学数据进行了估算。通过构建Gibbs自由能与温度的关系图（使用Factsage 8.1软件），研究人员确定了在400至800?°C范围内，Na?LiAlF?可以被转化为可溶性的锂盐。这一发现为低温焙烧工艺的可行性提供了理论支持。

此外，研究团队还发现，传统的焙烧方法通常需要较高的温度，这不仅增加了能源消耗，还可能导致设备的腐蚀和废弃物的产生。相比之下，本研究提出的低温焙烧方法在降低能耗的同时，还能有效减少对环境的污染。这一创新工艺的关键在于如何在较低的温度下实现对Na?LiAlF?的分解，同时确保锂的高效转化。

在实际应用中，该工艺不仅能够提高锂的回收率，还能显著减少废渣的处理量。通过对废渣的处理，不仅可以回收有价值的锂资源，还能减少氟和铝的排放，降低对环境的影响。同时，该工艺的简化使得生产流程更加高效，减少了生产周期和成本，为锂资源的可持续利用提供了新的思路。

综上所述，本研究提出的创新工艺在多个方面具有显著优势。首先，它能够在较低的温度下实现对Na?LiAlF?的分解，从而提高锂的回收效率。其次，该工艺避免了传统方法中对酸碱的依赖，减少了设备腐蚀和废弃物排放。再次，通过HBL121萃取和CO?剥离技术，实现了对锂的高效、选择性提取，同时降低了生产成本。最后，该工艺的简化和优化为锂资源的可持续利用提供了新的解决方案，有助于推动绿色冶金和循环经济的发展。

在当前的锂回收研究中，尽管已有多种方法被提出，但大多数方法仍然存在能耗高、污染大、工艺复杂等问题。因此，本研究的创新工艺在技术上具有重要的意义，它不仅解决了传统方法的不足，还为锂资源的回收提供了一种更加环保和经济的方式。通过这种工艺，可以有效减少工业废渣的处理负担，同时提高锂的回收率，为锂资源的可持续利用做出贡献。

此外，该工艺的推广和应用对于推动绿色冶金和循环经济的发展具有重要意义。随着全球对锂资源需求的不断增长，如何高效、环保地回收锂资源成为行业发展的关键。本研究提出的创新工艺为这一目标提供了一种可行的解决方案，有助于减少对天然锂资源的依赖，降低环境影响，并提高资源利用效率。通过这一工艺，铝电解废渣中的锂可以被高效回收，同时减少氟和铝的排放，实现资源的循环利用。

在材料表征方面，研究团队对铝电解废渣的化学组成进行了详细分析，确认了锂的主要存在形式。这些数据为后续的工艺优化提供了重要依据，使得研究人员能够更精准地控制焙烧和浸出条件，从而提高锂的回收效率。同时，这些表征结果也为其他类似废渣的处理提供了参考，有助于拓展该工艺的应用范围。

在选择性焙烧转化锂的阶段，研究团队通过热力学分析和实验验证，确定了最佳的焙烧温度和时间。这一阶段的成功不仅提高了锂的转化率，还确保了铝和氟的稳定保留，为后续的水浸和萃取提供了良好的条件。通过这一阶段的处理，废渣中的锂得以有效释放，为后续的高效回收奠定了基础。

在水浸处理阶段，研究人员发现，经过焙烧后的废渣可以通过水浸直接分离锂和铝。这一过程的关键在于如何在不使用酸碱的情况下实现锂的高效提取。通过优化水浸条件，研究人员成功实现了锂的分离，同时减少了铝的损失，提高了整体的回收效率。这一阶段的成功进一步验证了低温焙烧工艺的可行性，为后续的锂富集和剥离提供了保障。

在HBL121萃取阶段，研究人员发现，该萃取剂能够高效、选择性地从水浸后的溶液中提取锂。与传统方法相比，HBL121萃取技术不仅提高了锂的回收率，还减少了对环境的影响。通过实验验证，研究人员确认了HBL121在锂萃取中的优越性能，为该工艺的进一步推广提供了理论和技术支持。

在CO?剥离阶段，研究人员利用二氧化碳作为剥离剂，将锂从有机相中转化为碳酸锂。这一过程的关键在于如何在较低的温度下实现锂的高效剥离，同时避免对环境的污染。通过实验验证，研究人员发现，CO?剥离法能够实现超过95%的锂回收率，这为该工艺的高效性提供了有力证明。

最后，在碳酸锂的制备阶段，研究人员通过热分解法将锂氢碳酸转化为碳酸锂。这一过程在较低的温度下完成，不仅节省了能源，还避免了高温处理可能带来的其他问题。通过这一阶段的处理，研究人员成功获得了高纯度的碳酸锂，为该工艺的工业化应用提供了实际可行的路径。

综上所述，本研究提出的创新工艺在多个方面实现了技术突破。它不仅提高了锂的回收效率，还降低了能耗和污染，同时简化了工艺流程。这一工艺的成功应用将有助于推动锂资源的可持续利用，减少对天然锂资源的依赖，降低工业废渣的处理负担，并为绿色冶金和循环经济的发展提供新的思路。此外，该工艺的推广和应用也将为相关行业带来显著的经济效益，助力实现环保与资源利用的双赢局面。