通过硫酸焙烧和水浸从粘土型锂矿中同步提取锂和铝

《Process Safety and Environmental Protection》：Synchronous extraction of lithium and aluminum from clay-type lithium ore via sulfuric acid curing and water leaching

　　

摘要

中国作为主要的锂消费国，面临着日益增长的供需失衡问题，这主要由锂电池需求的显著增加所驱动。在现有的锂资源中，低品位黏土型锂矿是重要的但尚未得到充分利用的第三类资源。为解决这一问题，不仅要高效提取锂，还需要通过回收铝——一种在当前技术中常被忽视的有价值的副产品——来最大化这些矿石的价值。为应对这一挑战，本研究提出了一种具有开创性的方法，结合硫酸焙烧与水浸出，旨在从黏土型锂矿中同时提取锂和铝。通过构建25-300 °C温度范围内硫酸焙烧过程的热力学平衡相图，验证了分解黏土矿物相的可行性，并准确预测了焙烧产物的相组成。通过精细的实验，本研究优化了工艺条件，实现了锂99.0%和铝82.9%的优异提取率。对原矿、焙烧样品和浸出尾渣的系统表征证实，硫酸焙烧可以有效破坏黏土矿物结构并将其转化为可溶性硫酸盐，从而促进锂和铝的同时浸出。基于这些结果，提出了一种高效分离锂和铝并回收硫酸的方法。本研究为从黏土型锂矿中共提取锂和铝提供了可靠的理论和实验支持。

引言

锂具有独特的电化学特性，广泛应用于核能、航空航天和电池等领域 (Li 等, 2022; Zhou 等, 2014; Zhou 等, 2022)。在过去几年中，随着电子设备和电动汽车的快速发展，锂电池的需求大幅增加 (Li 等, 2024; Speirs 和 Contestabile, 2018; Stampatori 等, 2020)。由于中国锂资源产能不足，统计显示约58%的锂资源需要进口 (Liu 和 Liu, 2024; Xia 等, 2025)。因此，为了解决这一供需不平衡问题，探索和发展新的锂资源具有重要的战略意义 (Liu 等, 2024; Zheng 等, 2022)。

锂矿床主要有三种类型：卤水型、伟晶岩型和黏土型(Bowell 等, 2020)。全球锂储量呈现明显的地理不平衡，某些国家拥有大量储量。例如，玻利维亚、阿根廷和智利富含卤水型锂，分别持有约2100万吨、1700万吨和900万吨 (Xie 等, 2024)。在全球锂资源的实际供应中，澳大利亚的锂辉石矿、南美洲的盐湖卤水和中国的青海盐湖卤水占据主导地位，而黏土型锂矿床尚待开发 (Zheng 等, 2023)。锂在不同黏土型锂矿床中呈现出不同的赋存状态：在火山型黏土锂矿床中，锂主要赋存于蒙脱石或伊利石的晶格中，因此被归类为结构锂。碳酸盐型黏土锂矿中的锂主要以吸附态存在于蒙脱石及其他黏土矿物的层间空间内 (Wu 等, 2024; Zhao 等, 2023)。中国西南地区的黏土型锂矿床大多为碳酸盐型，部分与铝土矿和煤矿伴生 (Huang 等, 2025)。

作为一个较新的研究领域，从黏土型矿石中提取锂面临独特的挑战 (Yan 等, 2025)。研究人员尝试了多种方法——空烧后酸浸或盐浸、添加助剂焙烧后水浸等。Zhang 等人采用空烧结合硫酸和氯化铁的方法，实现了96.18%的锂浸出率 (Zhang 等, 2025)。Tian 等人采用焙烧活化作为黏土型锂矿的预处理，使用酒石酸作为浸出剂，锂提取率达到85% (Tian 等, 2024)。Liu 等人使用草酸提取锂，浸出率达到91.35% (Liu 等, 2024)。Ran 等人采用氯化焙烧法从黏土型锂矿中提取锂，锂回收率达到92.35% (Ran 等, 2024)。Qiu 等人通过硫酸钠辅助焙烧和水浸实现了94.26%的锂提取率 (Qiu 等, 2025)。尽管取得了这些进展，这些方法通常需要大量试剂且成本较高，限制了其应用，而且值得注意的是，它们忽视了全面回收铝的潜力。因此，迫切需要开发一种新颖的、具有成本效益的方法，实现锂和铝的同时提取，优化资源利用并减少环境影响。

鉴于上述情况，本研究聚焦于硫酸焙烧和水浸过程。主要任务如下：(1) 通过热力学分析评估实验可行性并预测相变行为；(2) 通过一系列实验确定黏土型锂矿在硫酸焙烧过程中的解离机制；(3) 分析水浸过程中Li、Al、Fe、K等组分的浸出规律；(4) 采用一系列表征技术阐明硫酸焙烧和水浸的反应机制，并确定相应的反应路径。

章节摘要

材料

实验所用的原矿来自中国云南中部。测试前，原矿经过研磨和筛分，粒度达到0.15 mm。如表1所示，锂内容量为0.26%。值得注意的是，铝含量丰富，为19.06%，而铁、硅和钛分别为7.30%、10.30%和3.95%。相比之下，钾和镁的含量显著较低，分别为0.74%和0.50%。

实验步骤

在典型的硫酸焙烧实验中，精确称取20 g原矿……

热力学评估

在热力学评估之前，对原矿进行了XRD分析，扫描速率为5 °/min，以确定其相组成和相对丰度。结果如图1(a)和(b)所示。实验用原矿主要由21.6%高岭石[Al₂Si₂O₅(OH)₄]、26.1% 蓝晶石[AlO(OH)]、26.0%伊利石[KAl₂(Si₃Al)O₁₀(OH)₂]、13.9%锂云母[LiAl₄(AlSi₃O₁₀)(OH)₈]、6.8%金红石(TiO₂)和5.6%针铁矿(FeOOH)组成。

在本研究中，我们预期硫酸焙烧……

结论

在优化的实验条件下，酸矿质量比设为1.4:1 g/g，焙烧过程在200 °C下进行，持续2 h，矿物含水量为25%，浸出温度保持在90 °C，反应时间为1 h，液固比设为1:1 mL/g，硫酸焙烧-水浸过程在锂和铝的同时提取方面表现优异。锂、铝、钾和铁的浸出效率分别达到99.0%……

CRediT作者贡献声明

邵双：撰写——审阅与编辑、资源、项目管理、资金获取、概念化。卫永刚：资金获取、监督、撰写——审阅与编辑。李博：方法论、资源。王华：项目管理、监督。徐晓明：数据整理、调查、撰写——初稿。

利益冲突声明

作者声明不存在任何已知的竞争性经济利益或个人关系，这些利益或关系可能会影响本文所报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（编号52404363，52474379）和云南省基础研究计划（编号202501CF070121）的支持。

徐晓明|邵双|李博|卫永刚|王华