反应—分离耦合新工艺生产镁基功能材料联产电池级碳酸锂的应用基础研究

Magnesium and lithium resources are abundant in the brine of Qaidamu salt lake. It is of great significance for the sustainable utilization of the resources to develop highly-efficient separation methods and pathways towards high-value chemicals. The difficulties in brine exploration are the high Mg/Li ratio, not easy to separation and low utilization. Aiming at efficient separation and comprehensive uses, we proposed a new route based on separation coupled with reactions to explore the effectiveness of Mg/Li separation. The co-production of Mg-based functional materials (layered double hydroxides, LDHs) and battery-grade lithium carbonate are expected to be achieved. Mg-based LDHs are successfully synthesized from the brine by the nucleation-crystallization separation method within a rotating liquid-film reactor. Simultaneously, the Mg/Li ratio is significantly decreased via the reactions. The separation and enrichment mechanism of the components (e.g. Mg, Li) will be further revealed. The mechanism of process intensification will be demonstrated. The lithium solution will be enriched by electrodialysis after Mg is separated via the reactions. The control on the thermodynamic and kinetics of Li2CO3 crystallization from the complex quaternary brine will be explored. Finally, the battery-grade lithium carbonate is produced. This project will direct the highly-efficient separation, multi-purpose uses and high-value conversion of magnesium and lithium resources in the salt lake. Also, it will provide fundamental data and theories for the balanced and sustainable exploitation of salt lakes.

柴达木盐湖中镁、锂资源丰富，发展高效分离、提取方法与高值化利用途径对于盐湖资源平衡、可持续开发具有重要战略意义。项目针对盐湖卤水镁/锂比高、分离困难、资源利用率低的瓶颈问题，以镁、锂等资源高效分离与综合利用为目标，提出从反应—分离耦合新视角发展高镁卤水分离同时生产镁基功能材料（LDHs）并联产电池级碳酸锂的新工艺。依据卤水各组分赋存状态与反应特性，利用成核—晶化隔离法及创制的旋转液膜反应器、成功实现由盐湖高镁卤水复杂溶液体系高效分离Mg/Li、同时制备镁基LDHs的目标。项目研究将深入揭示反应—分离耦合过程中镁、锂等元素分离和富集规律，阐明过程强化机理。采用电渗析法富集分离镁后的锂溶液，探索碳酸锂反应结晶热力学和动力学控制途径，进而制备电池级碳酸锂。项目研究将为盐湖镁、锂等资源的高效分离、多元加工利用与高值转化提供科学理论与方法学指导，为盐湖资源平衡、可持续开发提供基础数据和理论支撑。

高镁/锂比盐湖卤水镁/锂分离与提取是世界性难题。围绕盐湖资源有效利用国家重大战略需求，针对我国盐湖高镁/锂比特征，创造性提出了环境友好、原子经济性高的反应—分离耦合新工艺。基于层状结构LDHs的晶格选择性科学原理，发展了多项分离、提取及过程强化关键技术，实现盐湖锂、镁高效分离、高效提取锂制备高纯锂盐、同时联产镁基功能材料。. 利用DFT方法计算了混合离子体系（含有Mg2+、Li+、Al3+）中镁锂分离的边界条件，从分子水平揭示了盐湖镁锂分离过程中固液界面离子/分子传质规律与反应机制。利用反应-分离耦合技术高效分离镁锂，反应后溶液Mg/Li比由几十到上百显著降至0.1以下，固液分离后锂损失率小于10%，且该技术具有普适性。发展了水热沉淀法实现镁锂分离同时制备碳酸镁/碱式碳酸镁的方法；发展了反应-分离耦合、多步分级提取及吸附—膜耦合法高效、清洁、绿色提取高钠复杂卤水体系中锂关键技术，为锂、硼、钠等资源高效、综合利用提供新思路；获得了在卤水体系溶液中碳酸锂的溶解度等热力学和动力学数据及共存离子Na+，K+，SO42-对碳酸锂结晶过程的影响规律及机理，研发了一步法电池级碳酸锂制备关键技术及过程强化途径；进一步开发了沉锂母液及纳虑镁锂分离后超高镁锂比溶液的反应—分离耦合精控兑卤技术。开展了镁基功能材料用于抗紫外老化沥青及轮胎气密复合材料应用研究；在盐湖地区建成首条百吨级镁基功能材料联产电池级碳酸锂的中试示范线，实现了新技术成果落地转化，为镁基功能材料和锂盐产品联产技术产业化提供了通用技术平台、设计依据与技术支撑。. 发表论文22篇，其中SCI论文18篇，申请发明专利36件，其中授权19件，美国授权专利1件，PCT专利4件，制定行业标准1项，培养博士生3人，硕士生8人。培养青海省“高端创新人才千人计划”领军人才1人，中国科学院感动人物1人，为合作企业格尔木藏格钾肥有限公司和五矿盐湖有限公司培训技术人才约50人。