Защита систем ионного обмена и обратного осмоса при очистке карбоната и гидроксида лития

Свечная фильтрация в производстве карбоната и гидроксида лития часто воспринимается как второстепенная операция на конечных стадиях, тогда как именно на стадиях очистки и финишной доочистки решается, будет ли достигнута чистота аккумуляторного качества. Спрос на оба соединения продолжает расти по мере наращивания мощностей производителями электромобилей и систем сетевого хранения энергии: по текущим оценкам, мировой спрос на литий в 2026 году составит около 2 миллионов тонн в пересчёте на карбонат лития (LCE), а прогнозы на 2030 год колеблются в диапазоне от 3,7 до 4,6 миллиона тонн LCE в зависимости от источника. Чтобы соответствовать этому росту, необходимо добиваться большей чистоты и большего времени безотказной работы на каждой стадии процесса. Когда твёрдые частицы проходят дальше в слои ионообменных смол или на мембраны обратного осмоса, это приводит к загрязнению, незапланированным простоям и затратам на замену смолы, которые редко закладываются в первоначальный проект процесса.

Что делает разделение твёрдой и жидкой фаз таким сложным в производстве карбоната и гидроксида лития?

Как переработка твёрдопородного сподумена, так и маршруты упаривания рассола для получения карбоната и гидроксида лития несут высокие концентрации магния, кальция, марганца и цинка в растворе сульфата лития, поступающем на последующую очистку. При переработке рассола этот раствор является коррозионным и высокоплотным, а оборудование должно выдерживать непрерывную работу в широком диапазоне температур — от горячих геотермальных источников до условий окружающей среды высокогорных саларов. Если эти примеси не удалить, они не просто проходят насквозь, а выпадают в осадок дальше по потоку и загрязняют узлы, предназначенные для извлечения и очистки лития, а не саму стадию фильтрации.

Какие требования к фильтрации защищают системы ионного обмена и обратного осмоса при очистке лития?

Ионообменные смолы и мембраны обратного осмоса, расположенные после стадии очистки лития, крайне чувствительны к уносу твёрдых частиц, и их защита начинается с фильтра очистки второй ступени. После того как корректировка pH кальцинированной содой и каустической содой осаждает магний, кальций, марганец и цинк из раствора сульфата лития, эту суспензию необходимо отфильтровать, прежде чем фильтрат попадёт в контур ионного обмена. Правильно подобранный свечной фильтр удаляет более 99,9 % твёрдых частиц размером от 1 микрона, что позволяет этим узлам работать в проектном режиме, а не рассчитываться на хроническое загрязнение. Вторая стадия фильтрации — бикарбонатная доочистка — удаляет непрореагировавшие твёрдые частицы после того, как карбонат лития превращается в растворимый бикарбонат лития с помощью CO2, что дополнительно повышает чистоту продукта перед разложением бикарбоната и снижает нагрузку, возвращаемую в контур выщелачивания.

Как FUNDABAC® и CONTIBAC® справляются с этими этапами очистки и доочистки?

Свечной фильтр FUNDABAC® применяется как для очистки второй ступени, так и для бикарбонатной доочистки, при этом промывка и сушка осадка встроены в цикл фильтрации для извлечения лития, который иначе был бы потерян вместе с отбрасываемыми твёрдыми частицами. Фильтрация остаточного объёма (heel) дополнительно возвращает остаточный продукт, скапливающийся на дне аппарата, что позволяет снизить потери карбоната и сульфата лития до пренебрежимо малых значений и направлять промытые твёрдые частицы напрямую в хвосты, а не обратно в контур выщелачивания. Работа под давлением обеспечивает стабильное формирование осадка и предсказуемое время цикла независимо от изменчивости рассола, а варианты фильтрующего материала — PP, PVDF и нержавеющая сталь — выдерживают коррозионные условия, типичные для литиевых рассолов и сульфатных растворов. При более высоких расходах, например при полунепрерывной очистке перед осаждением, полунепрерывный сгуститель CONTIBAC® берёт эту задачу на себя с автоматической выгрузкой осадка, снижая вмешательство оператора как в сподуменовых, так и в рассольных технологических схемах.

Где применяются фильтры FUNDABAC® и CONTIBAC® в производстве лития?

Производство карбоната и гидроксида лития — одно из самых крупнотоннажных применений фильтрации DrM, с установками на пяти континентах. Фильтры FUNDABAC® и CONTIBAC® эксплуатируются на проектах по твёрдопородному сподумену в Австралии и на рассольных производствах по всему южноамериканскому «литиевому треугольнику», а также на предприятиях в Северной Америке и Азии. Эта база референций охватывает оба маршрута производства — переработку твёрдопородного сподумена и упаривание рассола — с разными характеристиками сырья, но с одинаковыми требованиями к последующей очистке и доочистке. Широта референций по регионам и технологическим маршрутам отражает, насколько последовательно эти требования повторяются на предприятиях по производству карбоната и гидроксида лития по всему миру.

Какие эксплуатационные преимущества даёт свечная фильтрация при переработке лития?

Поскольку промывка и сушка осадка снижают потери лития до пренебрежимо малых значений, операторы возвращают продукт, который при неоптимизированной фильтрации ушёл бы в отходы, а возможность направлять промытые твёрдые частицы напрямую в хвосты избавляет от затрат на их возврат в контур выщелачивания. Фильтр FUNDABAC® использует несменяемые внутренние элементы, которые не заменяются при обслуживании, — меняется только фильтрующий материал, — что в сочетании с отсутствием подвижных частей обеспечивает совокупную стоимость жизненного цикла, как правило, в 2–3 раза ниже, чем у конкурирующих конструкций фильтров. Полностью автоматизированная выгрузка осадка снижает вмешательство оператора как в системах FUNDABAC®, так и CONTIBAC®, а закрытая герметичная конструкция аппарата упрощает соблюдение требований HSE при работе с коррозионными рассолами или сульфатными растворами в условиях непрерывного производства.

По мере того как производители аккумуляторов переходят на богатые никелем химии катодов, требующие гидроксида лития, а не карбоната, фильтрация очистки и доочистки приобретает ещё большее значение для экономики предприятия, поскольку контуры гидроксида имеют более жёсткие допуски по примесям. Прямое извлечение лития из рассола — это связанный, но самостоятельный маршрут получения лития аккумуляторного качества со своей собственной схемой фильтрации, рассматриваемой отдельно в обзоре DrM о фильтрации в процессах DLE. По обоим устоявшимся маршрутам производства база референций DrM в области очистки карбоната и гидроксида лития продолжает расти вместе с общим наращиванием предложения лития.

Ключевые выводы

• Свечная фильтрация удаляет более 99,9 % твёрдых частиц размером от 1 микрона, защищая расположенные далее системы ионного обмена и обратного осмоса.
• Производство карбоната и гидроксида лития — крупнейшее отдельное применение фильтрации DrM по установленному объёму, представленное на пяти континентах.
• Фильтрация остаточного объёма (heel) и встроенная промывка осадка снижают потери лития до пренебрежимо малых значений при очистке и доочистке.
• Полунепрерывные сгустители CONTIBAC® справляются с высокорасходными задачами очистки лития с полностью автоматизированной выгрузкой осадка.
• Фильтры FUNDABAC® при обслуживании требуют замены только фильтрующего материала, снижая стоимость жизненного цикла в 2–3 раза по сравнению с конкурирующими конструкциями.