三元體系Li+,NH4+∥SO42--H2O 298 K相平衡研究

程籽毅， 魏卓， 何智妍， 肖淑云， 王彥旭， 周堃

成都理工大學 材料與化學化工學院，四川 成都 610059

0 前言

鋰是重要的戰略資源，廣泛應用于化工、紡織、醫藥、制冷設備、核能發電等領域。近年來，電子材料和新能源等高新技術產業興起，“能源金屬”[1]鋰的關注度也不斷提升。根據美國地質調查局(USGS)數據顯示，2012年我國鋰資源的消費量為5.5萬t，而在2018年我國鋰資源消費量達到了16.9萬t，年均增長率達到20.6%[2]，預計2025年增長率維持在15%～25%之間。鋰資源消費和需求量呈現大幅持續增長主要體現在新能源電池和醫藥行業[3]。中國目前鋰資源主要來源為鹽湖鹵水(68%)、鋰輝石(30%)、鋰云母(2%)，其中液態鋰資源主要分布于青海和西藏鹽湖，硬質鋰資源主要分布于四川和新疆地區[4]。

四川省鋰資源主要是以鋰輝石礦形式存在，且占全國鋰礦石資源的57%，主要分布在馬爾康市(14.8萬t)、金川縣(13.3萬t)、道孚縣(1.8萬t)、雅江縣(0.1萬t)、康定市(106.2萬t)，共136.2萬t(以Li2O計)[5]。2011年1月，針對四川省如此豐富的礦石鋰資源，四川省委經濟工作會議提出，應當站在戰略資源產業發展的高度，盡快規劃發展四川省鋰產業。礦石鋰資源的綜合利用便顯得尤為重要。

目前鋰礦石提鋰的主流工藝為硫酸法，鋰礦石經轉型焙燒和硫酸化焙燒后浸出，再加入石灰調整pH至中性，便可除去其中大量的雜質金屬離子，再加入碳酸鈉進一步除Ca2+和Mg2+，既可得到較為純凈的鋰溶液，而后蒸發濃縮，得到的濃縮液再加入Na2CO3，將Li2SO4轉化為Li2CO3。碳酸鋰以細小但是易于沉淀的白色晶體沉淀出來，經過反復洗滌、真空干燥即可得到碳酸鋰成品[6,7]。

為了提高四川鋰礦綜合利用效率，在傳統鋰輝石制碳酸鋰工藝的基礎上進行優化，如主流硫酸法采用氫氧化鈉中和法除去鐵、鋁等雜質，但是副產硫酸鈉附加值較低，導致生產成本較高，本論文研究以氨氣替代強氧化鈉中和法除雜制碳酸鋰工藝，此工藝中部分氨氣可以循環使用，節約了生產成本。但此種工藝在濃縮和精制鋰溶液沉淀結晶過程中存在LiNH4SO4復鹽產生，使溶液中鋰濃度降低或使產品碳酸鋰中夾帶硫酸銨鋰復鹽導致純度不高，影響了鋰的收率和碳酸鋰產品品質。基于以此種工藝體系中所存在的問題，亟需對Li+,NH4+與SO42-三元體系在常溫(25 ℃)下的相平衡進行研究，探究其硫酸銨鋰的復鹽結晶區，并通過相平衡的研究探尋一種最適宜的工藝流程從而避免在濃縮沉鋰的過程中產生硫酸銨鋰復鹽對整個碳酸鋰產品的收率以及純度造成影響，為四川鋰礦石資源的綜合利用提供科學依據。

1 實驗部分

1.1 實驗試劑

實驗所用去離子水為成都超越科技有限公司(CD-UPT-II-20L型)超純水機，電導率<4.5 μS/cm，實驗過程中均用此水，其余藥品見表1。

表1 實驗試劑Table 1 Experimental reagents

1.2 實驗儀器

實驗主要使用儀器見表2。

表2 實驗儀器Table 2 laboratory apparatus

1.3 實驗方法

采用等溫溶解平衡法[8,9]開展相平衡研究。具體做法是向二元體系的飽和鹽溶液中梯度加入另一種鹽配制溶液( 如向Li2SO4飽和液[10]中梯度加入(NH4)2SO4或向(NH4)2SO4飽和液[11]中梯度加入Li2SO4·H2O)于100 mL 藍口瓶中。所配溶液置于恒溫振蕩器中振蕩(溫度控制在298±0.5 K)。定期取上層清夜進行密度、折光率和組成分析(取樣時應使體系靜置至懸浮固體顆粒完全沉淀) ，以其密度、折光率和組成不變時作為平衡標志。確認體系達到平衡后，取上層清液進行化學成分分析，同時測定液相密度、折光率等物化性質，并取相應固相采用XRD和濕渣法進行固相分析。平衡液相密度采用稱量瓶法測定，折光率用阿貝折射儀測定。

1.4 分析方法

Li+采用原子吸收光譜儀測定[10]；SO42-采用茜素紅—硫酸鋇滴定法測定[12]；NH4+采用差減法測量；平衡固相分析方法：X-ray射線衍射法和Schreinemakers濕渣法[13]。

2 結果與討論

2.1 三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O 298 K穩定相平衡實驗研究

三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O在298 K下等溫溶解平衡時，其飽和溶液的液相組成、濕渣組成及其密度的相關相平衡數據如表3，該三元體系在298 K下的等溫相圖如圖1。三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O在298 K下穩定相圖有3個結晶區，3條單變量曲線和2個共飽點(C、D)。為確定圖3中各結晶區的固相組成采用濕渣法，如在實驗過程中對4C和11D兩點濕渣進行取樣，用乙醇洗滌多次、濾紙擦干后送檢XRD分析兩共飽點的固相組成，其XRD分析結果如圖2、圖3所示。為確定圖1中各點的液相組成，采用分析液相中離子濃度來確定液相中兩種鹽的質量分數，如在實驗過程中對4C和11D兩點液相進行取樣，取5mL液相清液定容于100 mL容量瓶中，將定容后液體稀釋一定倍數后送檢原子吸收測定Li+的摩爾濃度c1，再采用茜素紅—硫酸鋇滴定法測定SO42-的摩爾濃度c2，由于液相中只存在Li+、SO42-和NH4+，則NH4+的摩爾濃度c3可由液相中電荷守恒關系(c1+c3=2c2)計算得到，得到各離子濃度后則可計算在液相或固相中各組分的質量分數，如表3中所示。

圖1 三元體系Li+,NH4+∥SO42--H2O在298 K下相圖Fig. 1 Phase diagram of ternary system Li+, NH4+∥SO42--H2O at 298 K

圖2 共飽點C處平衡固相XRD譜圖Fig. 2 XRD pattern of the invariant point C

圖3 共飽點D處平衡固相XRD譜圖Fig. 3 XRD pattern of the invariant point D

表3 三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O在298 K下溶解度、密度、折光率測定值Table 3 Expem values of solubility, density and refractive index of ternary system Li+, NH4+ ∥SO42--H2O at 298 K

共飽點C對應的平衡液相組成為w(Li2SO4)=7.12%，w[(NH4)2SO4]=39.11%，w(H2O)=53.77%；其平衡固相為(NH4)2SO4和LiNH4SO4。共飽點D對應的平衡液相組成為w(Li2SO4)=22.02%，w((NH4)2SO4)=13.17%，w(H2O)=64.81%；其平衡固相為Li2SO4·H2O和LiNH4SO4。單變量曲線AC，CD，DB對應的平衡固相分別為(NH4)2SO4，Li2SO4·H2O和LiNH4SO4，其中復鹽LiNH4SO4的結晶區最大，對應復鹽LiNH4SO4溶解度最小，(NH4)2SO4的結晶區最小，對應(NH4)2SO4的溶解度最大。由此三元體系相圖可見，在(NH4)2SO4質量分數一定時，Li2SO4質量分數越大越容易進入復鹽LiNH4SO4的結晶區，而在實際的工藝流程中為保證鋰浸出液中沉鋰的收率會在沉鋰前對其進行濃縮，則Li2SO4質量分數會逐漸升高，而此時(NH4)2SO4的質量分數也會逐漸升高，使得在濃縮過程中更容易進入復鹽結晶區從而形成了復鹽LiNH4SO4。通過此復雜三元體系的相平衡研究，為使得在濃縮、沉鋰過程中不形成復鹽LiNH4SO4的同時還能達到沉鋰時鋰濃度的要求，則要通過控制(NH4)2SO4，Li2SO4·H2O其中一種鹽的質量分數，因為沉鋰過程中Li2SO4為主要成分，則選擇控制(NH4)2SO4的質量分數。以11D點為例，在此點的Li2SO4的質量分數已經達到了沉鋰溶液中鋰濃度的要求，在氨中和除雜之前采用鈣離子沉淀法將鋰溶液中鋰硫比([w(Li2SO4·H2O)/w(NH4)2SO4)]降到1.6以下，就可使得沉鋰溶液始終保持在液相區而不進入復鹽LiNH4SO4結晶區，從而解決了在此工藝中形成復鹽LiNH4SO4導致碳酸鋰純度、收率不高的問題。

2.2 平衡液相物化性質研究

由表3中的數據繪制了該三元體系298K下平衡液相密度-組成圖和折光率-組成圖，分別如下圖4、圖5所示。圖4平衡液相密度-組成圖中各點液相密度是由對各點進行取樣5 mL樣時，同時對此5 mL樣品進行稱量，質量與體積之比則為此液相點密度；圖5平衡液相折光率-組成圖中各點折光率數據是待液相達到平衡后對各點液相間隔3 h取樣，3次折光率誤差不超過0.000 1則為次液相點折光率數據。

圖4 三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O在298 K下平衡液相-密度組成圖Fig. 4 The ternary system Li+, NH4+//SO42--H2O equilibrium liquid phase-density composition diagram at 298K

圖5 三元體系Li+, NH4+//SO42--H2O在298K下平衡液相-折光率組成圖Fig. 5 The ternary system Li+,NH4+//SO42--H2O equilibrium liquid phase-refractive index composition diagram at 298K

在圖4平衡液相密度-組成圖中和圖7平衡液相折光率-組成圖中，在AC段中平衡液相的密度和折光率隨著w(Li2SO4)逐漸增大而增大；CD段平衡液相密度隨著w(Li2SO4)逐漸增大而緩慢減小且減小速率變慢，折光率隨著w(Li2SO4)逐漸增大而減小；DB段密度和折光率均隨著w(Li2SO4)逐漸增大而減小，由此可見密度、折光率隨平衡液相中w(Li2SO4)變化趨勢基本相同，其單變量曲線呈現規律性變化。

3 結論

(1)本實驗測定了三元體系Li+, NH4+∥SO42--H2O在298 K下相平衡數據并繪制了相圖，得出該三元體系為復雜三元體系，且有復鹽生成。整個相圖有3個結晶區，3條單變量曲線和2個共飽點。

(2)3個結晶區分別為(NH4)2SO4，Li2SO4·H2O和復鹽LiNH4SO4，其中復鹽LiNH4SO4的結晶區最大，溶解度最小；(NH4)2SO4結晶區最小溶解度最大；由此可見在含有鋰離子和銨根離子的體系中更容易結晶析出復鹽LiNH4SO4。

(3)該實驗結果填補了Li+, NH4+∥SO42--H2O三元體系相圖數據的空白，由此相平衡數據和相圖，可以指導鋰輝石濕法冶金工藝中采用氨中和除雜技術和碳酸銨純化技術中出現的一些問題。

例如，在鋰浸出液中硫酸鋰含量一定的情況下，隨著濃縮時浸出液中(NH4)2SO4的濃度增高，則易析出復鹽LiNH4SO4，此時通過控制含鋰溶液中鋰硫比[w(Li2SO4·H2O)/w((NH4)2SO4)]小于1.6就可使其在濃縮和碳化沉鋰的階段不形成復鹽LiNH4SO4，從而提高了產品收率和質量，為此類工藝提供了科學的指導。