Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция



Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция
Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция

 


Владельцы патента RU 2296711:

Открытое акционерное общество "Новосибирский завод химконцентратов" (RU)

Изобретение может быть использовано в химической, металлургической и других отраслях промышленности для глубокой очистки технологических растворов и природных рассолов, содержащих примеси натрия и кальция. Раствор очищают на адсорбционной колонке с двухслойным сорбентом, селективным по ионам натрия и кальция. Верхний слой сорбента выполнен на основе пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, предварительно окисленного кислородом воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа и модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V). Нижний слой сорбента представляет собой окисленный при 200-400°С углерод-углеродный материал. Очистку проводят при рН 3-12. Регенерацию сорбента проводят смесью растворов, состоящей из 1 н. раствора соляной кислоты и 0,1 н. раствора гидроксида лития в соотношении 1:10. Изобретение позволяет получать металлический литий высокого качества за счет повышения чистоты солей лития. 1 з.п. ф-лы, 4 табл., 7 ил.

 

Изобретение относится к способу очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия и кальция и может найти использование при очистке промышленных технологических растворов, природных литийсодержащих рассолов в химической, металлургической и других отраслях промышленности.

Самыми ранними работами по сорбционной очистке литийсодержащих растворов от примеси ионов натрия являются работы японских ученых, среди которых - Mitsuo Abe и Takuji Ito опубликовали большое количество статей и ряд патентов. Основные результаты их исследований изложены в работе, опубликованной в журнале «Separation science and technology», 13(4), pp.347-365, 1978, где очистку литийсодержащих растворов проводят на кристаллической сурьмяной кислоте при рН 3-4. Недостатком такой очистки является узкий интервал рН, трудность регенерации кристаллической сурьмяной кислоты и невозможность ее использования в крупномасштабном производстве из-за мелкодисперсности этой кислоты, трудность ее отделения от очищаемого раствора.

Наиболее близким по способу очистки литийсодержащих растворов - прототип - является американский патент №4929588, кл. B01J 020/06; B01J 020/08; B01J 020/16, 1990 г., в котором очистку от ионов натрия проводят в статистических условиях, засыпая сорбент, содержащий кристаллическую сурьмяную кислоту, нанесенную на анионообменные смолы, такие как Dowex.TM. MSA-1, Dowex.TM. MWA-1, Amberlite.TM.IRA-900 и Cl или ОН-форме; γ Al2О3 или смесь (SiO2+Al2O3), в очищаемый раствор хлорида лития. Очистку проводят при рН 11-12 в интервале температур от 20° до 80°С в течение 1-24 часов. После контакта раствора с сорбентом очищенный раствор хлорида лития отфильтровывают и определяют содержание примеси ионов натрия. Очистка от натрия происходит на 99% и более.

Недостатком вышеизложенного изобретения является невысокая полная обменная емкость по натрию, узкий интервал рН, сложность получения сорбента и использование в статическом режиме, что влечет большие затраты по его использованию.

Задачей изобретения является разработка способа очистки литийсодержащих растворов от примесей ионов натрия и кальция одновременно с высокими динамическими характеристиками, приемлемыми в производственных условиях, и регенерация сорбента, исключающая последующее загрязнение получаемого продукта.

Поставленная задача решается благодаря тому, что в способе очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия, включающем взаимодействие очищаемого раствора на адсорбционной колонке с селективным по ионам натрия и кальция сорбентом на основе пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, предварительно окисленного кислородом воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа и модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V), дополнительно используют нижний слой сорбента, представляющий собой окисленный при температуре 200-400°С углерод-углеродный материал, а очистку проводят в диапазоне рН от 3 до 12.

Задача решается также благодаря тому что, регенерацию насыщенного примесями натрия и кальция углерод-углеродного сорбента, модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V), проводят смесью растворов, состоящей из 1 н. раствора соляной кислоты с добавлением 0,1 н. раствора гидроксида лития в соотношении 1:10.

Указанная совокупность признаков является новой и обладает изобретательским уровнем, так как предварительное окисление кислородом воздуха пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, при Т=390-410°С способствует образованию кислородсодержащих радикалов, которые позволяют сформировать на углерод-углеродной поверхности как кристаллическую форму сурьмяной кислоты, так и аморфную, в зависимости от текстурных характеристик углеродного материала. Кристаллическая форма сурьмяной кислоты формируется на поверхности углерод-углеродного материала, имеющего межплоскостное расстояние углеродных слоев 3,53 Å (фиг.1).

На фиг.1 показана дифрактограмма углерод-углеродного материала с межплоскостным расстоянием 3,53 Å. На фиг.2 изображена дифрактограмма углерод-углеродного сорбента, модифицированного кристаллической формой сурьмяной кислоты. На фиг.3, кривая 1 изображена дифрактограмма углерод-углеродного материала с межплоскостным расстоянием 3,49 Å, и на фиг.3, кривая 2 изображена дифрактограмма углерод-углеродного материала, модифицированного аморфной формой сурьмяной кислоты. На фиг.4 изображена дифрактограмма сорбента, модифицированного кристаллической формой сурьмяной кислоты и насыщенного примесями кальция и натрия. На фиг.5 показана схема трехмерной регулярной решетки графита (а) и турбостратной структуры (б); (с) - изображение важнейших кристаллографических направлений графита, перпендикулярных базисной плоскости (последняя совпадает с плоскостью чертежа). На фиг.6 приведены изотермы адсорбции-десорбции азота при 77К, измеренные на образцах углерод-углеродного материала (УМ), полученных при разной температуре окисления. Все изотермы имеют характерную область капиллярно-конденсационного гистерезиса, свидетельствующую о развитом объеме мезопор.

Согласно приведенным на фиг.7 кривым потенциометрического титрования можно сделать вывод, что сорбент обладает ионообменными свойствами в широком диапазоне рН от 3 до 12.

Проведение очистки литийсодержащих растворов в широком диапазоне рН позволяет очищать соли лития различного типа: хлорид лития с рН от 3 до 7; гидроксид лития или гидрокарбонат лития с рН от 8 до 12. Использование сорбента на основе пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы, позволяет проводить очистку как от ионов кальция, так и натрия и получать соли лития высокой чистоты. Использование в адсорбционной колонке (нижний слой) окисленного при температуре 200-400°С углерод-углеродного материала позволяет избежать загрязнения ионами сурьмы очищаемого литийсодержащего раствора. Очистка на одном и том же сорбенте растворов хлорида, гидроксида и гидрокарбоната лития дает возможность получить ряд чистых солей, используя один сорбент и одно и то же оборудование, что удешевляет процесс очистки. Возможность регенерации насыщенного примесями сорбента позволяет многократно использовать сорбент, при этом не происходит загрязнения получаемого продукта, так как в качестве регенерата используют смесь растворов соляной кислоты и гидроксида лития.

Способ очистки литийсодержащих растворов осуществляется следующим образом. Очищаемый литийсодержащий раствор пропускают со скоростью 5-10 дм32·мин при рН от 3 до 12 через сорбционную колонку с сорбентом, где нижний слой заполнен окисленным при Т=200-400°С углерод-углеродным материалом, а верхний слой - сорбентом, модифицированным гидролизованными соединениями сурьмы (V). Раствор пропускают через колонку до заданной величины проскока по ионам натрия и кальция, в зависимости от того, какой чистоты соль необходимо получить.

Разработанный способ очистки литийсодержащих растворов при использовании селективного по натрию и кальцию сорбента на основе пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V), позволяет при относительной простоте синтеза сорбента и использовании дешевого углеродного носителя получать соли лития высокой чистоты.

Пример 1

Пористый композиционный углерод-углеродный материал, имеющий турбостратную, мезопористую структуру, окисляют кислородом воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа. После охлаждения окисленный углерод-углеродный материал обрабатывают пентахлоридом сурьмы и дистиллированной водой, после чего сушат при Т=110-150°С. Полученный сорбент загружают в сорбционную колонку диаметром 0,9 см и высотой слоя 40 см (вес сорбента 28 г, размер частиц 1,0-1,6 мм) и пропускают очищаемый раствор хлорида лития следующего состава: хлорид лития - 132,34 г/дм3, хлорноватистый литий (гипохлорит) - 0,18 г/дм3, хлорноватый литий - 0,018 г/ дм3, примеси катионов: кальция - 0,1 г/дм3, натрия - 0,05 г/дм3, с линейной скоростью подачи раствора, равной 0,78 см3/см2·мин. Объемная скорость составила 30 см3/ч. На выходе из сорбционной колонки каждые 30 см3 (с 19 пробы - через 50 см3) раствора анализируют на содержание натрия и кальция методом ААС. Содержание примесей натрия и кальция после очистки в сорбционной колонке очищенного раствора хлорида лития приведено в таблице 1.

Таблица 1.
Объем р-ра LiCl, млКонцентрация Na в очищенном р-ре, г/лКонцентрация Са в очищенном р-ре, г/л
30<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
60<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
90<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
120<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
150<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
180<0.00025±0.000010.002±0.0001
210<0.00025±0.000010.002±0.0001
240<0.00025±0.000010.002±0.0001
2700.00025±0.000010.002±0.0001
3000.00025±0.000010.006±0.0001
3300.00025±0.000010.006±0.0001
3600.00025±0.000010.002±0.0001
3900.00025±0.000010.005±0.0001
4200.00025±0.000010.005±0.0001
4500.00025±0.000010.005±0.0001
4800.00025±0.000010.002±0.0001
5100.00025±0.000010.002±0.0001
5400.0002510.000010.003±0.0001
5900.00025±0.000010.002±0.0001
6400.00025±0.000010.002±0.0001
6900.00025±0,000010.002±0.0001
7400.001±0.00010.002±0.0001
7900.001±0.00010.025±0.0013
8400.002±0.00010.025±0.0013
8900.002±0.00010.025±0.0013
9400.003±0.00010.025±0.0013
9900.005±0.00010.05±0.0025
10400.023±0.00010.07±0.0035
10900.047±0.00010.1±0.005
12400.052±0.00010.1±0.005

Через колонку было пропущено 1240 см3 раствора хлорида лития. По этим данным рассчитывают общее содержание натрия и кальция (мг) на сорбенте (по разнице между содержанием натрия и кальция в объеме исходного и пропущенного растворов) и отнесение этой величины к весу сорбента. Динамическая обменная емкость сорбента по натрию ENa=1,8 мг/г до величины проскока (за проскок по натрию принимается величина 0,005 г/дм3). Полная динамическая обменная емкость ПОЕNa=2,2 мг/г.

Динамическая обменная емкость сорбента до величины проскока по кальцию ЕCa=2,6 мг/г (за проскок принимается величина 0,01 г/л). Полная динамическая обменная емкость сорбента по кальцию ПОЕCa=4 мг/г.

Пример 2

Пористый композиционный углерод-углеродный материал, имеющий турбостратную, мезопористую структуру, окисляют кислородом воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа. После охлаждения углерод-углеродный материал обрабатывают пентахлоридом сурьмы и дистиллированной водой, после чего сушат при Т=110-150°С. Полученный сорбент загружают в сорбционную колонку диаметром 0,9 см и высотой слоя 40 см (вес сорбента 28 г, размер частиц 1,0-1,6 мм) и пропускают очищаемый раствор хлорида лития следующего состава: хлорид лития - 64,16 г/дм3, хлорноватистый литий (гипохлорит) - 28,11 г/дм3, хлорноватый литий - 2,94 г/дм3, примеси катионов: кальция - 0,019 г/дм3, натрия - 0,005 г/дм3 с рН=8-9 (рН раствора откорректировали сухой солью гидроксида лития). Объемная скорость составила 30 см3/ч. На выходе из сорбционной колонки каждые 30 см3 раствора анализируют на содержание натрия и кальция методом ААС. Содержание примесей натрия и кальция после очистки в сорбционной колонке очищенного раствора хлорида лития приведено в таблице 2.

Таблица 2.
Объем р-ра LiCl, млКонцентрация Na в очищенном р-ре, г/лКонцентрация Са в очищенном р-ре, г/л
30<0.00025±0.00001<0.002±0.00001
60<0.00025±0.00001<0.002±0.00001
90<0.00025±0.00001<0.002±0.00001
120<0.00025±0.00001<0.002±0.00001
150<0.00025±0.00001<0.002±0.00001
180<0.00025±0.000010.002±0.00001
210<0.00025±0.000010.002±0.00001
240<0.00025±0.000010.002±0.00001
2700.00025±0.000010.002±0.00001
3000.00025±0.000010.002±0.00001
3300.00025±0.000010.002±0.00001
3600.00025±0.000010.002±0.00001
3900.00025±0.000010.002±0.00001
4200.00025±0.000010.002±0.00001
4500.00025±0.000010.002±0.00001
4800.0003±0.000010.002±0.00001
5100.0025±0.00010.002±0.00001
5400.005±0.00030.002±0.00001
5700.005±0.00030.002±0.00001
6000.002±0.00001
6300.002±0.00001
6600.002±0.00001
6900.002±0.00001
7200.012±0.0006
7500.02±0.001

Расчеты по определению емкостных характеристик велись аналогично примеру 1. За величину проскока по натрию принимается величина 0,005 г/дм3, за проскок по кальцию принимается величина 0,01 г/дм3. Значение динамической обменной емкости сорбента при данных концентрационных условиях по натрию ENa=0,09 мг/г, по кальцию ЕCa=0,47 мг/г.

Пример 3

Пористый композиционный углерод-углеродный материал, имеющий турбостратную, мезопористую структуру, окисляют в токе кислорода воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа. После охлаждения окисленный углерод-углеродный материал обрабатывают пентахлоридом сурьмы и дистиллированной водой, после чего сушат при Т=110-150°С. Полученный сорбент загружают в сорбционную колонку диаметром 1,1 см и высотой слоя 76 см (вес сорбента 36 г, размер частиц 1,0-1,6 мм) и пропускают очищаемый раствор хлорида лития следующего состава: хлорид лития - 142,2 г/дм3, хлорноватистый (гипохлорит) лития - 35,1 г/дм3, хлорноватый литий - 5,2 г/дм3, примеси катионов: кальция - 0,075 г/дм3, натрия - 0,05 г/дм3, щелочность раствора откорректировали сухим гидроксидом лития до рН - 11-12. Объемная скорость подачи раствора хлорида лития была постоянной и составляла 100 см3/ч. На выходе из сорбционной колонки каждые 60 см3 раствора анализируют на содержание натрия и кальция методом ААС.

Содержание примесей натрия и кальция после очистки в сорбционной колонке очищенного раствора хлорида лития приведено в таблице 3.

Таблица 3.
Объем р-ра LiCl, млКонцентрация Na в очищенном р-ре, г/лКонцентрация Са в очищенном р-ре, г/л
60<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
120<0.00025±0.00001<0.002±0.0001
180<0.00025±0.000010.002±0.0001
240<0.00025±0.000010.002±0.0001
3000.00025±0.000010.002±0.0001
3600.00025±0.000010.002±0.0001
4200.00025±0.000010.002±0.0001
4800.0003±0.000010.002±0.0001
5400.0003±0.000010.002±0.0001
6000.0005±0.000010.002±0.0001
6600.0005±0.000010.002±0.0001
7200.0007±0.000010.002±0.0001
7800.00075±0.000010.002±0.0001
8400.0008±0.000010.003±0.0001
9000.0009±0.000010.004±0.00001
9600.0009±0.000010.005±0.00001
11400.0090±0.00010.0065±0.0001
12200.0015±0.00010.007±0.0001
13000.003±0.00010.009±0.0001
13800.003±0.00010.009±0.0001
15800.005±0.00010.01±0.001

Расчеты по определению емкостных характеристик велись аналогично примеру 1. За величину проскока по натрию принимается величина 0,005 г/дм3, за проскок по кальцию принимается величина 0,01 г/дм3. Динамическая обменная емкость до величины проскока по натрию ЕNa=1,97 мг/г. Динамическая обменная емкость до величины проскока по кальцию ЕCa=2,85 мг/г.

Пример 4

Пористый композиционный углерод-углеродный материал, имеющий турбостратную, мезопористую структуру, окисляют в токе кислорода воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа. После охлаждения окисленный углерод-углеродный материал обрабатывают пентахлоридом сурьмы и дистиллированной водой, после чего сушат при Т=110-150°С.

50 см3 очищаемого 2N раствора гидроксида лития с исходной концентрацией примеси натрия 110 мг/л и кальция 60 мг/л пропускают через сорбционную микроколонку диаметром 4 мм, высота слоя сорбента - 4 см (масса сорбента 1 г) со скоростью 50 см3/ч. Очищенный раствор гидроксида лития анализируют методом ААС. Результаты анализа на содержание примесей в очищенном растворе следующие: натрия - 85 мг/дм3, кальция - 20 мг/дм3. Отсюда можно сделать вывод, что предлагаемым способом возможно очищать и растворы гидроксида лития.

Пример 5

Пористый композиционный углерод-углеродный материал, имеющий турбостратную, мезопористую структуру, окисляют в токе кислорода воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа. После охлаждения окисленный углерод-углеродный материал обрабатывают пентахлоридом сурьмы и дистиллированной водой, после чего сушат при Т=110-150°С.

Раствор гидрокарбоната лития пропускают через колонку, где нижний слой состоит из окисленного при температуре 200-400°С углерод-углеродного материала, а верхний слой - из полученного сорбента, со скоростью 100 мл в час. В результате этого раствор гидрокарбоната лития очищается от катионов натрия и кальция. Затем раствор гидрокарбоната нагревают до температуры 90-95°С, полученный осадок карбоната лития высушивают и выполняют анализ на примеси натрия, кальция и сурьмы. Результаты представлены в таблице 4. Аналогичный эксперимент по очистке раствора гидрокарбоната лития был проведен, где колонка была заполнена только сорбентом. В полученном карбонате лития содержание сурьмы было 0,001%.

Таблица 4 - результаты анализа карбоната лития, очищенного на слое, состоящем из окисленного углерод-углеродного материала и сорбента
ЭлементКонцентрация, %масс.
Na1,5·10-4
Са6,9·10-4
Sb<5,7·10-4

Таким образом, очистка литийсодержащих растворов на селективном по ионам натрия и кальция сорбенте происходит с высокими динамическими показателями, в широком диапазоне рН, имеет высокую сорбционную способность как по ионам натрия, так и по ионам кальция, что позволяет получать соли лития высокой чистоты. Использование предварительно окисленного кислородом воздуха пористого композиционного углерод-углеродного материала в нижнем слое колонки позволяет избежать загрязнения сурьмой очищаемого литийсодержащего раствора и повысить степень очистки от примесей, так как вымываемая сурьма модифицирует нижний слой углерод-углеродного материала и становится дополнительным слоем сорбента.

Возможность проводить регенерацию насыщенного примесями сорбента продлевает срок его эксплуатации, что в целом удешевляет процесс очистки растворов солей лития.

1. Способ очистки литийсодержащих растворов от ионов натрия, включающий взаимодействие очищаемого раствора на адсорбционной колонке с селективным по ионам натрия и кальция сорбентом на основе пористого композиционного углерод-углеродного материала, имеющего турбостратную, мезопористую структуру, предварительно окисленного кислородом воздуха при Т=390-410°С в течение одного часа и модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V), отличающийся тем, что дополнительно используют нижний слой сорбента, представляющий собой окисленный при 200-400°С углерод-углеродный материал, а очистку проводят в диапазоне рН от 3 до 12.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что регенерацию насыщенного примесями натрия и кальция углерод-углеродного сорбента, модифицированного гидролизованными соединениями сурьмы (V), проводят смесью растворов, состоящей из 1 н. раствора соляной кислоты с добавлением 0,1 н. раствора гидроксида лития в соотношении 1:10.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к химической технологии получения неорганических соединений и может быть использовано для получения карбоната лития высокой степени чистоты из природных хлоридных литийсодержащих рассолов.

Изобретение относится к химической технологии и цветной металлургии, а именно к получению литийсодержащих фтористых солей для электролитического производства алюминия.

Изобретение относится к химической технологии и цветной металлургии, а именно к получению литийсодержащих фтористых солей для электролитического производства алюминия.

Изобретение относится к области техники получения особо чистых солей лития и может найти использование в химической, фармацевтической, металлургической, энергетической и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам получения метаметаллатов (V) щелочных металлов, которые могут быть использованы для производства лазерных, электрооптических, сегнетоэлектрических материалов и специальной керамики.
Изобретение относится к методам очистки гидроксида лития. .
Изобретение относится к технологии получения гидроксида лития, используемого в химической промышленности. .
Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к способам получения спектрально-чистого карбоната лития. .
Изобретение относится к получению метаметаллатов (V) щелочных металлов типа АВО3, которые могут быть использованы для производства лазерных, электрооптических, сегнетоэлектрических материалов и специальной керамики.

Изобретение относится к сорбентам для сигаретных фильтров. .

Изобретение относится к области сорбционной техники и может быть использовано при получении поглотителей для очистки вентвыбросов атомных электростанций от радиоактивных изотопов йода и летучих окислов рутения.
Изобретение относится к получению сорбентов для очистки газов. .

Изобретение относится к области неорганической химии, а именно к обезвреживанию газовых выбросов, содержащих фтористые соединения. .
Изобретение относится к получению композитных сорбционных материалов на основе углеродного волокнистого материала (УВМ) и природного биополимера - хитозана. .
Изобретение относится к сорбционной технике, в частности к способу получения сорбента для поглощения аммиака и сероводорода, и может быть использовано в процессе очистки промышленных газов или в средствах индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания.
Изобретение относится к сорбционной технике и может быть использовано в процессах очистки отходящих промышленных газов или в средствах индивидуальной и коллективной защиты органов дыхания.
Изобретение относится к области адсорбционной техники и может быть использовано для получения модифицированных активных углей (МАУ), применяемых для водоочистки технологических стоков предприятий химической и фармацевтической промышленности.
Изобретение относится к области производства сорбционно-активных элементов и может быть использовано для очистки газовых сред от вредных примесей
Наверх