分離機械新技術及其在鋰產業化中的應用

摘 要 針對鋰產業化應用過程中出現的技術難題，從分離機械行業發展層面，詳細介紹了離心萃取機新技術在鹽湖鹵水資源化和鋰同位素分離中的應用，歸納并比較兩種新型固液分離設備在鋰電高鎳三元正極材料產業化生產中的技術創新，為相關行業的發展提供技術支撐。

關鍵詞 分離機械 鋰資源 高鎳三元材料 固液分離設備

中圖分類號 TQ051.8" "文獻標識碼 B" "文章編號 0254?6094（2023）01?0101?06

分離機械屬于化工過程與控制機械及設備范疇，是將液體與液體、液體與固體或液、液、固三相混合物進行分離的專用設備，應用于各行各業中。主要分為離心機、過濾機、萃取機、過濾介質及元器件等幾大類。近十年來，我國分離機械發展迅速，在完善型式種類、提高技術參數、創新功能結構、應用新型材料、自動化水平、功能集成、產品質量及可靠性等方面與國際先進技術水平差距逐漸縮小，很多新技術在新能源領域——鋰產業化方面發揮著積極作用。

鋰及其化合物是國民經濟和國防建設中的重要戰略物資[1]，鋰同位素更是核聚變堆燃料和載熱劑、釷基熔鹽堆中性介質、氫彈裝料的重要原料，而鋰離子電池作為“21世紀的能源新貴”得到了迅速發展。隨著鋰礦石資源日益枯竭，從鹽湖鹵水中提鋰已成為鋰資源開發利用的主要方向，是今后發展鋰鹽工業的重要源地。但是鋰產業化中出現的高鎂鋰比[2]、腐蝕體系、收率及集成式工藝等技術難題，需要配套的裝備從技術層面上予以解決，而分離機械相關新技術在解決這些難題中正發揮著重要作用。

1 萃取機新技術在鹽湖鹵水資源化中的應用

離心萃取機作為一種高效液-液萃取設備，具有適應流比范圍寬、傳質效率高、平衡速度快、溶劑級存留量小、分離因數大、生產連續及操作方便等優點。筆者分別從技術參數、結構型式、材料和工業應用方面介紹離心萃取機的新技術。

1.1 技術參數

一般根據轉鼓直徑可將離心萃取機分為輕載和重載兩種系列：直徑在450 mm以下的為輕載系列;直徑大于等于450 mm的為重載系列，詳細技術參數列于表1。目前離心萃取機最大機型為CTL1200，轉鼓直徑為1 200 mm，最大通量可達110 m3/h，分離因數g為377，具有較高的技術參數。

1.2 結構型式

傳統環隙式結構離心萃取機，轉鼓相對機殼高速旋轉，通過泰勒渦流完成兩相的混合[3]，上懸式支撐結構使用撓性軸，底部無軸承和機械密封，結構簡單，兩種結構型式離心萃取機如圖1所示。上懸式支撐結構以槳葉式混合攪拌替代了環隙式結構的泰勒渦流混合，弱化了混合強度，降低了混合功耗，以CTL650重載型號為例，上懸式支撐結構運行功率約為環隙式結構運行功率的67%[4];同時，上懸式支撐結構可避免物料萃取過程中固體物沉積造成機械密封失效和有機溶劑泄漏風險。

1.3 材料

塑型材料，如聚四氟乙烯（PTFE）、Halar（ECTFE，譯名哈拉）等作為耐腐蝕保護涂層，被廣泛應用于化學工業、制漿與造紙工業、醫藥工業等行業。鹽湖鹵水資源化利用中多為強酸堿腐蝕性物料體系，對設備耐腐蝕性要求較高，考慮將鋼基噴涂塑型材料應用到離心萃取機上。為此采取系列措施，如優化結構參數、表面處理光滑、涂層面焊縫滿焊及過渡圓滑等技術，實現了離心萃取機鋼基噴涂塑型材料。實際應用發現，在耐鹽酸體系中，噴涂Halar技術使采用哈氏合金C276的同規格型號離心萃取機單臺成本降低近70%[5]。

1.4 工業應用

針對鹽湖鹵水提鋰的現實技術難題，離心溶劑萃取法因提鋰容量大、鎂鋰高效分離及可操作性強等特點是重要技術發展趨勢，目前主要使用的萃取體系包括有機磷、冠醚、β-雙酮和離子液體[6]。離心萃取機新技術與N523?TBP-磺化煤油萃取體系相結合，在青海吉乃爾鹽湖實現了工業化鹵水提鋰，工藝流程如圖2所示。

該工藝主要包含萃取段、洗滌段、反萃段、皂化段及除鐵段，每個工段由多臺重載系列離心萃取機串聯形成逆流萃取。萃取段相比O/A=（1.5～3.0）/1，鹵水經除雜、調酸預處理后進入萃取段，提鋰有機相萃取鹵水中含有的金屬元素;洗滌段相比O/A=（30～50）/1，洗去負載有機相含有的雜質元素;反萃段相比O/A=（30～50）/1，反萃出負載有機相中的金屬元素;經過反萃段的有機相進入皂化段后實現再生，可回至萃取段循環使用;經過反萃段的反萃余液進入除鐵段后除去含有的鐵離子，以獲得較高純度的氯化鋰產品。

生產過程中離心萃取機技術參數高，處理能力大，操作維護方便;襯塑型離心萃取機耐鹽酸、耐極性溶劑，設備投資成本低，實現了有機相的再生循環，對外無三廢排放，萃取效率高、溶劑需求量小;上懸式支撐結構離心萃取機，解決了FeCl3作為協萃劑易乳化的難題，鋰的收率大于95%。上述優勢有利于離心萃取機在鹽湖鹵水資源化中的推廣應用。

2 萃取機新技術在鋰同位素分離中的應用

2.1 自控系統

隨著離心式溶劑萃取技術的創新發展，其應用領域拓寬到密度差小、難分離的物料體系，如稀貴金屬提取、鋰同位素分離等，為獲得較高的萃取效率，其級數往往數十級、百級以上。

離心萃取機在運行時，因內部涉及到密度不同的兩相平衡，啟動和停車時對進/出料次序有要求，對進料量和相比的控制也非常關鍵。因此，在多級萃取體系中，設計“一鍵式”自控系統，通過自動化聯鎖和程序邏輯控制，實現萃取過程中的全自動化、無人化。

2.2 工業應用

鋰在自然界中有6Li和7Li兩種穩定的同位素，在核能源領域均具有極其重要的作用，工業化分離鋰同位素主要采用鋰汞齊交換法，單級分離系數達到1.05左右，但該方法需大量使用金屬汞，難以實現大規模生產;且汞有劇毒性，容易危及環境安全和人體健康。

離心式溶劑萃取法作為一種安全、綠色、高效的非汞體系分離鋰同位素方法，研究比較深入，該工藝的關鍵是尋找合適的萃取劑，解決鋰離子水合自由能較大的難題。研究發現冠醚和穴醚作為萃取劑比較有效，但穴醚合成較困難，價格昂貴，在水中的溶解度和消耗量都非常大，難以應用于工業生產。由于Li+直徑與15-冠醚-5環的大小比值在0.75～0.90范圍內，有助于15-冠醚-5萃取分離鋰同位素，因此，冠醚是比較合適的鋰同位素萃取劑，其交換反應如下[7]：

6Li水+7Li有機=7Li水+6Li有機

離心式溶劑萃取法分離鋰同位素工藝流程如圖3所示。

該工藝主要包含萃取段、交換富集段和反萃段，含鋰原料經預處理進入萃取段，萃取劑萃取含鋰原料中的鋰形成負載有機相，負載有機相和濃度較高的含6Li反萃余液，通過交換富集段多次、連續、逆流交換后，負載有機相中6Li的豐度逐級得到提高，萃取劑經反萃工段實現再生，并循環回用，富集得到的同位素6Li的豐度達到0.079 3，然后經過蒸發濃縮、冷卻結晶后得到LiI，后續通過轉化反應制得LiCl，再進行熔鹽電解制備金屬鋰。每個工段由多臺上懸式支撐結構離心萃取機串聯形成逆流萃取，其中交換富集段離心萃取機多達幾十臺，為達到更高豐度的同位素6Li富集，萃取級數、萃取劑、工藝參數還需在工業應用中進一步優化。

上懸式支撐結構離心萃取機的低功耗、易維護、低成本，及多級萃取成套裝置的“一鍵式”自控系統等新技術為離心式溶劑萃取法分離鋰同位素奠定了基礎。

3 新型固液分離設備在鋰電行業的應用

《新能源汽車產業發展規劃（2021—2035）》提出：到2025年，新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右，到2035年，純電動汽車成為新銷售車輛的主流。為適應產業升級趨勢和綠色消費新需求，我國新能源汽車產業進入加速發展階段。從電池能量密度和電動車續航里程來看，NCM811具有更高的比容量和更低的成本，將是三元材料的主要發展方向[8]。

NCM811前驅體的制備仍沿用傳統的共沉淀法，即將原料配成溶液，選擇適當的沉淀劑，使得金屬離子完全沉淀，并且在反應結束時各組分元素能夠按照目標比例分離出來，再經過洗滌、干燥及除鐵等工序得到目標產物。對于高鎳單晶三元前驅體來說，要體現材料優勢，實現成品電池的高能量密度和倍率性能，其微觀形貌不能受到任何破壞。但實際生產中，因固液分離設備的機械刮擦、攪拌混合強度過大等導致一次粒子出現碎片現象，如圖4所示，嚴重影響高鎳單晶型正極材料的電化學性能，使循環性能變差，從而使產品不能滿足質量要求。

拉袋輔助立式刮刀下卸料離心機和多功能一體機，作為目前三元材料生產中較為常見的新型固液分離設備，需要從混合強度、攪拌型式或卸料機構等方面進行創新設計，進而保證高鎳型三元正極材料的品質。

拉袋輔助立式刮刀下卸料離心機是一種離心過濾式、刮刀下部卸料、間歇型離心機，能夠自動完成進料、分離洗滌、脫水、卸料等工序[9，10]。拉袋輔助卸料機構如圖5所示，通過在離心機轉鼓中心盤外圓周面設置氣動裝置，利用其往復動作，振蕩、抖動濾袋，達到卸除殘余濾餅的目的。

拉袋輔助立式刮刀下卸料離心機具有以下優點：實現拉袋動作的氣動裝置設計在轉鼓中心盤，不破壞主軸結構和強度;氣動裝置的活塞面積大，產生的拉力較大，拉袋動作順暢;拉袋動作在轉鼓內腔完成，能夠應用于要求防爆的場合;濾袋通過往復振蕩、抖動進行卸料，有助于保持物料晶形。

多功能一體機集成了真空上料、攪拌混合、打漿洗滌、壓濾吹干、干粉出料功能，能減少轉運步驟，縮短生產流程，提產增效減排，密閉操作，維護方便。與離心機相比最大的優勢是可以進行漿化洗滌[11]，能夠較充分地洗滌干凈濾餅中的硫酸根、鈉離子等，保證三元材料純度。同時，也可節省洗滌液用量，減少污水排放，據測算，每100 kg NCM三元材料的生產廢水可減少1 500～2 000 kg。多功能一體機的產能也較大，在三元材料生產中常用的規格見表2。

對比拉袋輔助立式刮刀下卸料離心機和多功能一體機的優缺點并列于表3，拉袋輔助卸料可減少對濾餅的機械刮擦，有利于保證晶型完整;多功能一體機槳葉可通過上下升降、正反轉、調速等技術手段實現多維攪拌混合，降低混合強度，減少洗滌液耗用量。

由表3可知兩種新型固液分離設備在鋰電三元材料前驅體過濾洗滌工序中各有優勢，實際應用中應結合工藝、產品特性、操作維護等進行合理選擇。

4 結束語

我國鹽湖資源綜合開發已進入規模化提鋰及其他稀有元素新階段，鋰資源開發、利用和產業化是國家戰略。我國分離機械經過近幾十年的發展，在設備種類、型式參數、結構形式、過濾介質、分離效率、自動化水平、功能集成、產品質量及可靠性等方面發展迅速。分離機械結合鋰產業化、綠色制造的新要求，在新材料應用、智能化、遠程運維及功能集成等方面進行的技術創新，將助力鋰產業化的發展。

參 考 文 獻

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（收稿日期：2022-01-23，修回日期：2023-01-09）

基金項目：安徽省科技重大專項（202003a05020010）。

作者簡介：朱碧肖（1990-），工程師，從事過濾與分離機械的研發與設計工作，zhubixiao.1990@163.com。

引用本文：朱碧肖，陳崔龍，張德友.分離機械新技術及其在鋰產業化中的應用[J].化工機械，2023，50（1）：101-105;124.