Schutz von Ionenaustausch- und Umkehrosmose-Systemen bei der Reinigung von Lithiumcarbonat und -hydroxid

Die Kerzenfiltration in der Produktion von Lithiumcarbonat und Lithiumhydroxid wird oft als nachgelagerter Nebenaspekt behandelt, dabei entscheidet sich gerade in den Reinigungs- und Feinreinigungsstufen, ob Batteriequalität erreicht wird oder nicht. Die Nachfrage nach beiden Verbindungen steigt weiter, da Hersteller von Elektrofahrzeugen und Netzspeichern ihre Kapazitäten ausbauen: Aktuelle Schätzungen beziffern die globale Lithiumnachfrage für 2026 auf rund 2 Millionen Tonnen Lithiumcarbonat-Äquivalent (LCE), wobei die Prognosen für 2030 je nach Quelle zwischen 3,7 und 4,6 Millionen Tonnen LCE liegen. Um mit diesem Wachstum Schritt zu halten, muss aus jeder Prozessstufe mehr Reinheit und mehr Verfügbarkeit herausgeholt werden. Gelangen Feststoffe in nachgelagerte Ionenaustauscherharze oder Umkehrosmosemembranen, führt dies zu Verblockung, ungeplanten Stillständen und Kosten für den Harzaustausch, die in der ursprünglichen Prozessauslegung nur selten berücksichtigt werden.

Was macht die Fest-Flüssig-Trennung bei der Produktion von Lithiumcarbonat und -hydroxid so anspruchsvoll?

Sowohl die Umwandlung von Hartgestein-Spodumen als auch die Sole-Verdampfung zur Gewinnung von Lithiumcarbonat und -hydroxid führen hohe Anteile an Magnesium, Calcium, Mangan und Zink in der Lithiumsulfatlösung mit sich, die der nachgelagerten Reinigung zugeführt wird. Bei der Soleverarbeitung ist diese Lösung korrosiv und hat eine hohe Dichte, und die Anlagen müssen im Dauerbetrieb über einen weiten Temperaturbereich zuverlässig arbeiten – von heißen geothermischen Quellen bis zu den Umgebungsbedingungen hochgelegener Salare. Werden diese Verunreinigungen nicht entfernt, passieren sie nicht einfach die Anlage, sondern fallen weiter stromabwärts aus und verblocken die Einheiten, die eigentlich zur Gewinnung und Reinigung des Lithiums dienen – und nicht die Filtrationsstufe selbst.

Welche Filtrationsanforderungen schützen Ionenaustausch- und Umkehrosmose-Systeme bei der Lithiumreinigung?

Ionenaustauscherharze und Umkehrosmosemembranen, die der Lithiumreinigung nachgeschaltet sind, reagieren äußerst empfindlich auf mitgeführte Feststoffpartikel – ihr Schutz beginnt beim Reinigungsfilter der zweiten Stufe. Nachdem durch pH-Einstellung mit Soda und Natronlauge Magnesium, Calcium, Mangan und Zink aus der Lithiumsulfatlösung ausgefällt wurden, muss diese Suspension filtriert werden, bevor das Filtrat den Ionenaustauscherkreislauf erreicht. Ein richtig ausgelegter Kerzenfilter entfernt mehr als 99,9 % der Feststoffpartikel ab 1 Mikron Größe und hält so diese nachgelagerten Einheiten im Auslegungsbetrieb, statt sie auf chronische Verblockung auslegen zu müssen. Eine zweite Filtrationsstufe, das Bicarbonat-Polishing, entfernt nicht umgesetzte Feststoffe, nachdem Lithiumcarbonat mit CO2 in lösliches Lithiumbicarbonat umgewandelt wurde – dies verbessert die Produktreinheit vor der Bicarbonatzersetzung weiter und reduziert die in den Laugungskreislauf zurückgeführte Last.

Wie bewältigen FUNDABAC® und CONTIBAC® diese Reinigungs- und Feinreinigungsschritte?

Der FUNDABAC®-Kerzenfilter wird sowohl für die Reinigung der zweiten Stufe als auch für das Bicarbonat-Polishing eingesetzt, wobei Kuchenwäsche und -trocknung in den Filtrationszyklus integriert sind, um Lithium zurückzugewinnen, das sonst mit den verworfenen Feststoffen verloren ginge. Die Heel-Volumen-Filtration gewinnt zusätzlich das Restprodukt zurück, das sich am Boden des Behälters sammelt, sodass sich die Verluste an Lithiumcarbonat und Lithiumsulfat auf vernachlässigbare Mengen reduzieren lassen und die gewaschenen Feststoffe direkt zu den Bergen gehen können, statt in den Laugungskreislauf zurückzukehren. Der druckgetriebene Betrieb sorgt für eine stabile Kuchenbildung und vorhersehbare Zykluszeiten – unabhängig von Schwankungen der Sole –, und Filtermedien-Optionen aus PP, PVDF und Edelstahl widerstehen den korrosiven Bedingungen, wie sie für Lithiumsolen und Sulfatlösungen typisch sind. Bei höheren Durchsätzen, etwa bei der semikontinuierlichen Reinigung vor der Fällung, übernimmt der CONTIBAC®-semikontinuierliche Eindicker die Aufgabe mit automatischem Kuchenaustrag und reduziert den Bedienereingriff sowohl bei spodumen- als auch bei solebasierten Verfahrensschemata.

Wo werden FUNDABAC®- und CONTIBAC®-Filter in der Lithiumproduktion eingesetzt?

Die Produktion von Lithiumcarbonat und -hydroxid gehört zu den mengenstärksten Filtrationsanwendungen von DrM, mit Installationen auf fünf Kontinenten. FUNDABAC®– und CONTIBAC®-Filter sind in Hartgestein-Spodumen-Projekten in Australien und in solebasierten Anlagen im südamerikanischen Lithiumdreieck im Einsatz, ebenso wie in Anlagen in Nordamerika und Asien. Diese Referenzbasis umfasst beide Produktionswege – die Umwandlung von Hartgestein-Spodumen und die Sole-Verdampfung – mit jeweils unterschiedlichen Feed-Eigenschaften, aber denselben nachgelagerten Reinigungs- und Feinreinigungsanforderungen. Die Breite der Referenzen über Regionen und Verfahrenswege hinweg zeigt, wie konsequent diese Anforderungen in Anlagen für Lithiumcarbonat und -hydroxid weltweit wiederkehren.

Welche betrieblichen Vorteile bietet die Kerzenfiltration bei der Lithiumverarbeitung?

Da Kuchenwäsche und -trocknung die Lithiumverluste auf vernachlässigbare Mengen reduzieren, gewinnen Betreiber Produkt zurück, das eine nicht optimierte Filtration andernfalls als Abfall ausschleusen würde, während die Möglichkeit, gewaschene Feststoffe direkt zu den Bergen zu leiten, die Kosten für deren Rückführung in den Laugungskreislauf vermeidet. Der FUNDABAC®-Filter verwendet dauerhafte Einbauten, die bei der Wartung nicht ausgetauscht werden – nur das Filtermedium wird gewechselt –, was in Kombination mit dem Fehlen beweglicher Teile zu Lebenszykluskosten führt, die typischerweise 2- bis 3-mal niedriger sind als bei konkurrierenden Filterkonstruktionen. Der vollautomatische Kuchenaustrag reduziert den Bedienereingriff sowohl bei FUNDABAC®- als auch bei CONTIBAC®-Systemen, und die geschlossene Behälterbauweise vereinfacht die Einhaltung von HSE-Vorgaben beim Umgang mit korrosiven Solen oder Sulfatlösungen unter kontinuierlichen Produktionsbedingungen.

Da Batteriehersteller zunehmend auf nickelreiche Kathodenchemien umsteigen, die eher Lithiumhydroxid als -carbonat erfordern, gewinnen Reinigungs- und Feinreinigungsfiltration für die Anlagenwirtschaftlichkeit noch weiter an Bedeutung, da Hydroxidkreisläufe engere Verunreinigungstoleranzen aufweisen. Die direkte Lithiumgewinnung aus Sole ist ein verwandter, aber eigenständiger Weg zu Lithium in Batteriequalität, mit einem eigenen Filtrationsschema, das gesondert in der DrM-Übersicht zur Filtration in DLE-Prozessen behandelt wird. Über beide etablierten Produktionswege hinweg wächst die Referenzbasis von DrM in der Reinigung von Lithiumcarbonat und -hydroxid weiter – parallel zum breiteren Ausbau des Lithiumangebots.

Wichtigste Erkenntnisse

• Die Kerzenfiltration entfernt mehr als 99,9 % der Feststoffe ab 1 Mikron Größe und schützt so nachgelagerte Ionenaustausch- und Umkehrosmose-Systeme.
• Die Produktion von Lithiumcarbonat und -hydroxid ist – gemessen am installierten Volumen – die größte einzelne Filtrationsanwendung von DrM und erstreckt sich über fünf Kontinente.
• Die Heel-Volumen-Filtration und die integrierte Kuchenwäsche reduzieren die Lithiumverluste während Reinigung und Feinreinigung auf vernachlässigbare Mengen.
• CONTIBAC®-semikontinuierliche Eindicker bewältigen Lithiumreinigungsaufgaben mit hohem Durchsatz bei vollautomatischem Kuchenaustrag.
• FUNDABAC®-Filter tauschen bei der Wartung nur das Filtermedium aus und senken die Lebenszykluskosten um das 2- bis 3-Fache gegenüber konkurrierenden Filterkonstruktionen.