碳酸锂反应结晶纯化过程多尺度调控机制

Lithium and its compounds are ideal materials for energy and light alloys industry in the new century. Lithium carbonate is the raw materials for lithium industry and its coupling process of crystallization, the purification of lithium carbonate via reactive crystallization is the key factor for utilization of lithium resources in the salt lake. The process of reactive crystallization involves multi-dimensional and multi-scales the heat and mass transfer process with complex components. Particles of crystal with many types of structure are easy to absorb, wrap and carry on other ions, which affects the purity and morphology of lithium carbonate. The project under the guide of high quality and multi types of lithium carbonate studies crystal principles of lithium carbonate in molecular scale using molecular simulation and multi-scale controlling, meanwhile, effects of impurities on crystal habit and morphology of lithium carbonate will be investigated. Kinetic model of crystal growth will be built in micro-scale, which can be used to study effects of environment on crystal growth. The relationship between the crystal process and multi-phase flow field will be considered in macro-scale, and coupling principles and interactions among reaction, crystal, transfer and fluid in the process of crystallization. Controlling methods in multi-scales for high quality and multi-type products of lithium carbonate will be obtained under the guide of product function. The results of this project can be used as the technical support for producing high quality and superfine lithium carbonate particles and the theoretical exploring for designing new types of crystallizer and complex reactive crystallization process.

锂及其化合物已成为新世纪能源和轻质合金的理想材料，碳酸锂是锂产业的基础原料，其反应结晶纯化过程是卤水锂资源利用最关键的环节。碳酸锂反应结晶过程涉及复杂多组分、多尺度的传质传热物理化学过程，晶体颗粒普遍具有多级结构，极易造成杂质的吸附、夹带和包裹，影响碳酸锂的纯度与形貌。本项目以多品种、高品质碳酸锂产品为导向，以分子模拟与多尺度调控为手段，在分子尺度研究碳酸锂晶体生长规律、杂质对碳酸锂晶体习性与形貌的影响，在微观层次上构建碳酸锂多级结构晶体生长动力学模型，研究外在环境对晶体生长影响规律；在宏观层次上研究结晶器多相流场与结晶过程影响的内在关系，揭示反应结晶过程中反应-结晶-传递-流动行为的相互影响及其耦合规律，解析高纯碳酸锂和超细碳酸锂形成机制与调控手段，探索复杂反应结晶过程研究与装备设计新方法，研究成果为制备高纯、超细碳酸锂产品提供技术支撑。

碳酸锂是重要的基础化工产品，碳酸锂晶体具有多级晶体结构，碳酸锂反应结晶纯化是盐湖卤水锂资源利用技术瓶颈。.本课题以脱附后的盐湖老卤为原料，采用分子模型与实验相结合，从分子尺度、微观尺度和宏观尺度相结合开展相关研究工作，围绕结晶生长与环境影响关系，杂质离子脱除、反应结晶过程工艺优化、设备结构参数与操作参数影响等开展基础应用研究，采用MS进行分子动力学模拟，揭示了真空、水溶液环境和氯化钠溶液环境下碳酸锂的生长生长机理；从微观尺度研究了氯化锂原料中常见金属离子对碳酸锂晶习的影响，提出了抑制杂质离子影响的方法；Na+离子的存在使得碳酸锂形成细条状晶体，聚结程度增大。K+离子浓度逐渐增加使得碳酸锂晶体由长柱状转变成片状结构，Ca2+离子生成片状的碳酸钙嵌入或附于晶体上，Mg2+离子生成絮状的碳酸镁包裹在晶体表面，阻碍了晶体长大，生成短棒状的碳酸锂晶体。Al3+在反应初期生成以胶体状态存在的Al(OH)3，起到了晶核的作用，添加EDTA可以有效抑制铝杂质对碳酸锂结晶影响；硼杂质以B(OH)4-形式存在，以晶格嵌入的方式影响了Li2CO3产品的质量，通过添加多元醇实现了硼杂质的调控，碳酸锂晶体硼含量从135ppm降至12ppm。.课题对用锰系离子筛吸附察尔汗含锂老卤所得氯化锂脱附液，采用高压渗透浓缩、用NaOH沉淀、树脂深度脱除杂质离子工艺实现原料净化，对反应结晶纯化工艺参数进行优化，采用响应曲面法分析各个因素的影响以及交互作用，建立了预测模型，稳定制备出纯度在99.5% 以上的碳酸锂产品，粒径分布均一。.从反应结晶设备考察和优化，选择超重力反应器作为一种有效的碳酸锂反应结晶器，制备得到超细的碳酸锂粉体，产品达到电池级碳酸锂的粒径要求，以5000 t/y的电池级碳酸锂的超重力反应结晶器进行了概念设计。通过对碳酸锂反应结晶过程关键科学问题研究，揭示复杂反应结晶过程反应-传递-流动行为的影响及其耦合规律，建立多尺度调控方法，对碳酸锂反应结晶纯化工业生产奠定理论基础。