金属锂提取冶金学：

1、锂生产工艺性质锂在元素周期表中属IA族,其相对原子质量为6.941,天然同位素质量数为6、7,密度0.531g/cm3(20C),熔点179186C,沸点1372C,因此复原法生产工艺中易出现液状,真空条件下便于杂质元素别离,有利于产品纯度的提升；金属锂呈银白色,它与湿空气相遇,能与其中的Q、帅迅速化合,外表生成Li2.LiOH及Li3N的覆盖层,覆盖层呈淡黄色以至黑色,所以必须在石蜡或汽油中保存.锂的化学活性很强,能与HCl、HN.稀gSO起剧烈的反响,特别是在浓HNO中强烈氧化,以至熔融和燃烧.在浓H2SQ中溶解缓慢.锂在高温下与碳作用生成LiC;与F、Cl、Br、I作用并发生燃烧,与水反

2、响生成LiOH;在加热至熔点温度下能与S反响生成LiS,与Si一起熔鬲生成Li6Si2.此外,锂与有机化合物几卤素衍生物反响,生成相应的锂有机化合物.碳酸锂常压下熔点730C,分解温度1270C,先熔融成桨状,再分解脱除CO2,阻碍分解反响的进行,但当有石灰或铝氧土参与时,可使物料变成疏松状,有利于CO2分解,如碳酸锂与石灰按2/3进行配料,在真空中进行焙烧,800c下可完成作业.用途由于锂的优异性能日益被人们发现和利用,目前已在国民经济各部门以及近代尖端技术一一原子能、热核反响、洲际火箭、人造卫星等方面都起着非常重要的作用.金属锂极其化合物可作为优质高能燃料,已经用于宇宙火箭、人造卫星、超声

3、速飞机和潜水艇等燃料系统方面.在冶金工业上,锂作为轻合金、超轻合金、耐磨合金极其它合金的组分.锂与镁、铝、皱组成的合金,质地轻,加工性能好,强度大,已被用作飞机的结构材料.铝电解质中参加锂盐,可降低电耗.在玻璃工业中,将锂化合物作为加成剂,可提升玻璃的强度和韧性,降低熔点,增加电阻和延迟透明消失的作用.玻璃中含锂较多时,能提升紫外线透射率,降低热膨胀系数,目前锂玻璃已用于制造大型电视显象管等.在化学工业上,锂由于有机合成和人造橡胶方面,作为接触剂和稳定剂,也可作为石油裂化过程的热载体.氯化锂适于作铝的焊接熔剂,并用在蓄电池中.锂蓄电池的阳极,阴极是锂硫合金(lithium-telluriuma

4、lloy)电解质是800F(427C)熔池中的锂盐.富特矿产公司(FooteMineralCo.)的锂带(lithiumribbon)用于高能电池,为纯度99.96%的连续金属带材,厚度为0.02in(0.05cm),在僦气中成卷干包装.粉末状的无水六氟神化锂(lithiumhexafluoroaresnate)用作干电池的阳极.锂电池用锂锂是理想的电池材料,这主要是基于：锂原子具有最小的电化学当量,1g锂可以放出3.83A.H的电；具有最低的电负性,起标准电极电位为一3.045V;锂电阻低,有利于电极集流；锂的比重轻,有利于获得较高的比能量；锂的活性大,活性物质的利用率高；总之,锂电池重量轻

5、、体积小、贮电水平大、充电速度快、适用范围广.锂的冶金简史锂是1817年瑞典化学家阿弗维得松A?Arfvedson在斯德哥尔摩Berzelius实验室研究透长石时发现的,命名为Lithium锂,源于希腊词Lithos,意为石头.A?Arfvedson当时曾试图提取这种金属元素,但没有成功.1818年,英国人戴维H.Davy在成功地制取了K、Ca、Mg后,首先电解碳酸锂制得少量金属锂.之后,1855年,德国人本生J?Bansen电解熔融氯化锂制取了较多的金属锂,并开始研究金属锂的性质.1893年,岗次Guntz提出电解含有等量氯化锂和氯化钾熔体制取金属锂,可在450c左右下进行电解,使电解温度大

6、幅度降低,使电解效率明显提升,奠定了现代电解法生产金属锂的根底.从1817年发现元素锂到有一定金属锂的生产规模,历史76年.自1893年研究成功融盐电解法制取金属锂,至今已有111年时间,融盐电解法提取金属锂已成为一种传统的提取工艺.热复原法提锂的研究简史金属锂的生产方法1、熔盐电解法：氯化钾为支持电解质,电解温度450500C,氯化锂4560%初晶温度360450c之间；电解法生产金属锂的某些技术参数、资料来源参数12345原料氯化锂氯化锂氯化锂氯化锂氯化锂电解质组成wt%KClLiCl48%KClLiClKClLiCl4450%KClLiCl50%KClLiCl60%槽电压伏8-9674.

7、98.281046电流强度安培800900860035008001020阴极电流密度A/cm20.5120.53.0阳极电流密度A/cm20.81.0阳极材料石墨石墨石墨石墨石墨阴极材料钢钢钢钢钢电解温度c400420405415450460400420420450电流效率85908090电耗率kwh/Kg4034.33139产品质量wt%W(Li)97W(Li)99%W(Li)99%2、热复原法：a、碳热复原法Li2O+C=2Li+CO,1937年美国矿物局提出,反响温度1680C,但反响产物易被CO污染,发生二次反响,难于实施；b、氢复原法Li2O+H=2Li+H2O,试验发现易产生中间化

8、合物,可能是LiH;c、硅复原法方法1:2Li2O+2CaO+Si=4Li+SiO2?2CaO采用79#硅铁,硅过量10%采用40份Li2CO使其在真空中分解,然后与60份CaO混合,在1300C1.3X10-6大气的真空下,锂的回收率可达92.7%;方法2:碳酸锂：石灰=2:3质量比配料,焙烧,加过量1015%的75#硅铁,制球,1000C及残压431.3Pa的真空条件进行复原,每次装料2.5kg,产锂175g,回收率80%,锂的纯度99%.焙烧作业：CaOU2CO3CO2+Li2O复原反响的主体反响为：2Li2O+Si=4Li+SiO2当75#硅铁过量1015%、锂回收率80%时,全工艺过

9、程：投入：40g碳酸锂+60g石灰+11.098g硅铁产出：6.054g锂+23.784gCO2+81.26g渣可计算出有关的技术经济指标：产品率6.9%,渣率93.1%,碳酸锂消耗：6.607t/t-Li;石灰消耗：9.911吨；硅铁消耗：1.833吨；副产渣：13.42吨；硅铁利用率72.75%.硅热法生产金属锂技术经济与本钱表工程单耗单价本钱原材料157492.3元其中：碳酸锂6.6072.2力兀14.5354万元硅铁1.8335000元9165元石灰9.911300元2973.3能源人工制造费制造本钱硅热法生产金属锂流程图d、铝热复原法由于铝比硅具有更高的活性,可大规模生产,价格也不太

10、高,所以采用铝作复原剂,更为适宜.3Li2O+2Al=Al2O3+6U但试验发现,在采用铝复原剂时会生成铝酸盐,因此,必须向混合物中添加CaO这样的强碱,才能使反响顺利进行.因此,总反响是：3Li2O+CaO+2Al=CaO?Al2O3+6Li当采用Li2O?CaO和铝压团,在900CT,真空度小于1.3x10-6大气压时,经过十五个小时的反响,锂的回收率可达80.6%.也有人采用锂辉石矿为原料,添加CaQ用铝直接复原,在真空条件下,于1150c时,锂的提取率为92.2%,对此,曾成功地进行过半工业试验,每次装10kg左右的料,锂的提取率到达95%由此申请了两个铝热复原法的专利.铝热法生产金属

11、锂工艺参数料来源工艺参数1234原料Li?.Li2O?Al2O?2SiO22CO3Li2O复原剂AlAl或SiAlAl添加剂CaOCaOCaOSiO2复原温度900120012001200真空度mmHg<1.3*10-6<2*10-2_-2<1*102_-2<1*102复原率80.6959591金属锂质量9998.599.599.9某工艺：碳酸锂与铝氧土按分子比1:1进行配料,焙烧后制得铝酸锂烧成料,铝粉作复原剂,在1368Pa真空及1150c1200c下进行复原作业,锂的回收率为90%.焙烧作业表示为：U2CO3+AI2O3=CO2+Li2O?Al2O3复原作业可表示

12、为：Li2O?Al2O3+2/3Al=2Li+4/3Al2O3当锂回收率90%时,可以计算出有关的技术经济指标：产品率：8.4%;渣率91.65%;渣组成：Li2O?Al2O39.61%;Al1.31%;Al2O389.08%o这是一种优质的铝氧土,可以作为碳酸锂的焙烧助剂.在用渣作为焙烧助剂时,计算结果说明可以取得用铝氧土作助剂相同的技术效果外,还可以提升铝的利用率及锂的回收率由90%提到97.5%,减少了碳酸锂用量,每吨金属锂的原材料本钱可以降低20%以上.铝热法生产金属锂技术经济与本钱表工程单耗碳酸锂铝粉铝氧土金属锂的生产电解当前金属锂唯一的工业生产方法是氯化锂一一氯化钾融盐电解法.电解

13、质中氯化锂为55%,氯化钾为45%,电解在460c左右进行.电流效率约80%.金属锂纯度99.8%.生产1公斤金属锂需要电解6公斤氯化锂,电解时,氯化锂中的钠全部富集到金属锂中,因此,氯化锂中的钠量对金属锂的产品纯度影响很大.用高纯氯化锂电解,那么可直接制得用于锂电池的高纯金属锂.纯度在99.9%以内的金属锂,主要从改进现有融盐电解工艺可直接制取.制取纯度高于99.9%的金属锂,那么需要采取提纯举措.国外提纯金属锂的方法有：真空蒸储法、过滤法、区熔法、吸收法、氢复原法以及精福法等.目前工业上用的锂电解槽有：德国式、法国式、和美国式三种类型.美国式锂电解槽,槽体由钢板焊成,外壁和底部用气体火焰加

14、热,由顶部插入5根直径203.2毫米,长1.52米的石墨阳极,垂直安放.阴极固定在槽底,由低碳钢制作.正常作业条件是：槽温450475C,直流电压66.5伏.电解槽总容量约为3立方米,每公斤金属锂耗电46度不包括加热熔盐用能耗.电解：当今金属锂的工业化生产工艺主要是电解氯化锂和氯化钾熔融混合物,有时也在此电解中参加一些LiBr,或者利用LizCQ、LiOH在低共熔混合物中直接转化成金属锂.超纯锂也可从含8590%勺LiBr和1015%LiCl的熔盐混合物中制得.金属锂的精炼：金属锂性质活泼,电解彳#金属锂后要经过12次真空精炼以除去钠、钾和镁等杂质,此后加工成棒材、带材、或颗粒产品销售.精炼后

15、的金属锂含Li>99.9%,其余小于%:K0.001、Na0.003、Ca0.008、Al0.003、Fe0.002、Ni0.003、Cl0.006、Si0.004.金属锂的生产工艺复原熔盐电解法制取金属锂的主要缺点是锂必不可免地被钠和钾所污损,而且阳极析出的氯气也需处理和利用.真空热复原法那么可防止这些缺点.它可以从Li?.、Li2O?Al2O3甚至直接从锂辉石得到金属锂.从而省却了制取对设备有腐蚀作用的无水氯化锂的过程.当以Li2.为原料时,Li2.是由U2CO3分解而得到的.Li2CO3上CO2的平衡压力在810、890和1270c时分别为2、4.3及101kPa.为了使熔点为73

16、5c的U2CO3在热分解时不致熔化而使CO2难于析出,是将Li2CO3和CaO按质量比为1:1.5制团,再将团块在真空下热分解的.产物那么是Li2.和CaO的混合物.它对于下一步的真空热复原过程也是有利的.复原剂用硅粉,2Li2O+Si=4Li+SiO2在标准状态下的吉布斯自由能变化为正值,并且是吸热反响；A278=+298Kj,Ahf278=+320Kj.因而这一反响只能在高温、真空下进行,而将析出的锂蒸气不断抽出.但此时有一局部Li2O会和SiO2D生成原硅酸锂.反响式+Si4CaO+2Li2O?SiO2+Si=4Li汽+22Ca?SiO2的A$000k=-351Kj.将磨细后的Liz.、

17、CaO和理论量110%的硅粉压团,然后在真空炉内于10007300c下复原.析出的锂收集于冷凝器内.在1000c下锂的回收率为75%,而在1300c为93%.在所得锂中的主要杂质为Ca0.04%、Si0.01%.以铝粉为原料时可以用Li2O?Al2O3为原料.烧结由U2CO3和Al2O3组成的炉料便可得到铝酸锂.复原反响3Li2O?Al2O3+2Al=6Li汽+4Al2O3在1100c下,锂的平衡蒸汽压为33.3Pa.在11501200c和13.3Pa的剩余压力下进行真空热复原可以得到纯度很高的锂.锂的回收率可达9598%.为此要配入过量的铝粉.采用这一方法无须往炉料中参加CaO.这样也保证了

18、产品的纯度.复原过程得到的氧化铝渣又可用以制备下一批铝酸锂.锂冶金存在的问题及展望1、熔盐电解法存在的问题及解决方向1.1 降低锂电解的电耗率锂电解的电耗可由下式表示：W=K?V/r=3862V/rV为平均槽电压,r为电流效率.以4#资料显示的数据为例,那么吨电耗为38620Kwh/t-Li为降低电流效率可从降低槽电压和提升电流效率入手.考虑改进槽结构.增加单槽的电流效率.为提升电流效率,那么可优先考虑向电解质中参加电解质改进剂,降低电解质的初晶温度和增加外表张力.1.2 提升电解锂质量金属锂中的杂质主要来源于四个方面,一是原料LiCl,二是电解质KCl,三是电解槽砌筑材料,四是机械夹杂.因此

19、,可采取如下举措,改进电解过程.净化LiCl和KCl,提升原料纯度.设计新型电解槽,可节能又减少污染.采用新型抗腐蚀耐火材料.1.3 治理环境污染电解是以LiCl为原料,每生产1吨锂,将生成5吨氯气(理论量为5.14),因此必须增强回收和治理,治理后的氯气可返回生产氯化锂,但关键是电解槽密封.设计新型的密封电解槽.回收氯气经净化后返回使用.2、热复原法存在的主要问题及解决方向：2.1 碳酸锂的分解碳酸锂的熔点很低,只有715C,而分解温度却很高,在960c时,只有63mmH处解压,所以在分解前先熔化,而一旦熔化那么挥发和分解同时进行,很难限制.寻找合理的分解工艺.分解后不可带入有害杂质.2.2

20、碳酸锂的复原降低复原温度.提升复原率.2.3 延长复原罐的寿命寻找合理的耐高温抗氧化、价格适宜的复原罐仍是努力的方向.锂合金(LITHIUMALLOYS)锂只能微量溶解与大多数金属中,锂对于钢是有效的除氧剂和除硫剂,但并没有锂残留在锂处理钢(lithium-treatedsteel)中,对于不锈钢锂可以提升流动性,以得到致密的铸件.铸铁用锂处理后,具有细晶粒结构和较高的密度,因而撞击值较高.当用锂铜处理时,残留在铸件中的锂不超过0.01%.在镁合金中参加0.05锂,可使抗拉强度大为提升.锂在铅中的固溶度不超过0.09%,但锂能改善铅的晶粒结构,提升强度,并形成Pb3Li2,使铅硬化.锂处理铅(

21、lithium-treatlead)成为铅碱(alkailead)用作机械轴承.镁中可以加锂到15%配成合金.锂铜母合金包括包括一组铸造合金,通常含有90.95或98%铜,余量为锂,用作有色合金的除氧剂和除气剂.锂在熔池中容易与氧、氢、氮、硫和卤素化合,所形成的使最稳定的非金属化合物,熔点低,在金属浇注温度下容易变成蒸汽挥发掉.锂铜(lituiumcopper)是高导电、高密度的铜,只含微量残锂(0.0050.008%),是用50-50锂钙母合金处理的.锂铜的导电率为101.5%IACS,抗拉强度为3150036500lb/in2(216251MP),延伸率为6072%.锻压锂铜的韧性优于磷铜

22、,并有优良的深冲性能.上述合金的密度为8.92g/cm2.锂是馍合金的优良除硫剂.在锂铜母合金中还可以含17%钙.锂钙合金(lithium-calciumalloys)通常含30-50%锂,余量为钙,为银白色,具有金属光泽,但硬脆,熔点为230-260C,必须在煤油中保存在密闭容器内,用于处理、铸铁或馍,不会有铜残留.铜镁锂(copper-mangnaese-lithium)含60-70%铜、27-30%镒、0.5-5%锂,有时含5-7%丐.铜硅锂(copper-silicon-lithium)含80-84%铜、10-11%、2.5-10%锂,有时含2.5%钙.PATENTSJP05,279,

23、88693,237,886ElectrochemicalformationoflithiumAsahitec.Corp.Sato,Yuzuru;Yamamura,Tsutomuci.c25c3/34,26Oct1993,Appl.92/82,223,03Apr1992;5ppTheprocessinvolvestheelectrolysisofaLisalt-Cong.MoltensaltbathinwhichCandLi2CO3intheanodicchamberareoxidizedtoCOzandLiions,theLiionsaremovedtothecathodicchamber,a

24、ndLiionsarereducedthere.NogenerationofCl2occurssuchasinconventional和锂有关的反响方程式Li:2s1Li=6.9412Li熔化+H2=2LiH700800C2Li+Cl2=2LiCl燃烧4Li+O2=2Li2O燃烧4Li+O2+CO2=2Li2CO3锂在空气中的变化2Li+S=LiS2Li2.：2Li2O+Si=4Li+SiO2-76.3千卡高温3Li2O+2Al=6Li+Al2O3-33.6千卡高温2Li2O+2CaO+Si=4Li+SiO2?2CaO高温3Li2O+2CaO+2Al=6Li+2CaO?Al2O3加热Li2O+

25、H2O=2LiOH反响较慢Li2O+2H+=2Li+H2OLiOH:2LiOH=Li2O+H2O隔绝空气,力口热至600CLiOH+H2O=LiOH?H2O冷却2LiOH+2H2O2+H2O=Li2.2?力.2?3H2O把过氧化氢和乙醇加至氢氧化锂溶液中LiOH+HCN=LiCN+H2O无水乙醛中,冷处,剧振LiOH过量+HClO4=LiClO4+H2OLiOH+HIO3=LiIO3卜2.针状结晶LiOH+H3PO4=LiH2P.3+出.加至甲基橙变色LiOH+H3PO3=LiH22PO4+H2O2LiOH浓+H3PO4=Li22HPO4+2H2O3LiOH过量+H3PO4=Li3PO4?H2

26、O+2H2O在16c时枯燥6LiOH过量+2H3PO4=Li3PO42?H2O+5H2O在60C时枯燥2LiOH+H4SiO3干=Li2SiO3.H2O+2H2O80CLiOH过饱和+HBO2+7H2O=LiBO2.8H2O结晶4LiOH+H4FeCN6浓尸=Li4FeCN6+4H2OLiOH+C6H5OH+H2O=C6H5OLi.2H2O固体25CLiCl:2LiCl+2Na+2CH3CH2OH无水=2CH3CH2OLi+2NaClJ+H2T2LiCl+H2SO4=Li2SO4+2HCI共蒸发2LiCl+H2c2O4=Li2c2O4+2HClLiCl+NH4F=LiFJ+NH4Cl在氨性溶液

27、中LiCl细粉+CaCl2细粉=LiCl?CaCl2复盐加热2LiCl+ZnCl2+2H2O=LiCl2?ZnCl2?2H2O铸形晶体LiCl+2CdCl2+7H2O=CdCl22?LiCl?7H2O白色针状结晶LiCl+2PbCl2=LiCl?2PbCl2LiCl+CuCl2+2H2O=CuCl2?LiCl?2H2O暗红色结晶加热LiCl+AgNO2=LiNO2+AgClJCa2+、Sr2+、Ba2+的氯化物亦有类似的反响4LiCl+2Na2PO3+7H2O=Li2PO3?7H2O+4NaCl3LiCl+Na2HPO4蒸发至枯燥=Li3PO4J+2NaCl+HCl3LiCl+Na2HPO4+

28、NaOH=Li3PO4J+3NaCl+H2O4LiCl+Na4P2O7+2H2O=Li4P2.7?2H2O+4NaCl2LiCl浓+Na2CO3=Li2CO3J+2NaClNH42CO3也可以发生类似的反响3LiCl+Ag3FeCN6=Li3FeCN6橙色+3AgClJ产物在水溶液上浓缩Li2SO4Li2SO4+H2O=Li2SO4?H2O浓缩Li2SO4+7H2O=Li2SO4?7H2OLi2SO4+BaOH2=2LiOH+BaSO4JLi2SO4+HCl=LiHSO4+LiClLi2SO4+2HCl过量=2LiCl+H2SO4Li2SO4+H2SO4=2LiHSO4结晶蒸发Li2SO4+H

29、2SO4=LiSO4+H2-20C电解Li2SO4+BaCl2=2LiCl+BaSO4JLi2SO4饱和+BaClO22=2Li+BaSO4J真空蒸发Li2SO4+BaBrO32=2LiBrO3+BaSO4JU2SO4+K2SO4+5H2O=K2Li8SO45?5H2OLi2SO4+K2SO4=U2SO4?K2SO4复盐98：或20：、60C4Li2SO4+Na2SO4+5H2O=Li2SO44?Na2SO4?5H2O28CLi2SO4+NH42SO4=Li2SO4?NH42SO497C或20C、57C3Li2SO4+NH42SO4+4H2SO4=NH42SO4?Li2SO43?4H2SO4L

30、i2SO4+BaNO22=2LiNO2+BaSO4J加热2Li2SO4+Na4P2O7?10H2O=Li4P2O7?8H2O+2Na2SO4+2H2OLi2SO4+K2CO3=Li2CO3J+K2SO4煮沸Li2SO4+BaMnO42=2LiMnO4+BaSO4JLiNO32LiNO3=Li2O+NO2T+NOT+O2T600C4LiNO3=2Li2O+2N2O4+O2T700C3LiNO3+Na2HPO4=Li3PO4+2NaNO3+HNO32LiNO3+NH42CO3热、浓=Li2CO3J+2NH4NO3Li2CO3Li2CO3+4C=Li2C2+3CO高温Li2CO3+H2O+CO2=2LiHCO3U2CO3+CaOH2=2LiOH+CaCO3JU2CO3+H2s气=Li2SJ+CO2,+H2OU2CO3