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蒸馏法制备高纯金属锂工艺以及改进

来源:未知 编辑:admin 时间:2017-07-31
摘 要:1817 年发现的不仅密度最小而且其化学性质也相对活泼的固态碱性金属被正式命名为锂,到目前为止,金属锂因为其特有的化学性质成为了最为理想的高能电池负极材料,而其化合物逐渐被应用在冶金、石油、化工、有机合成、高能电池、医药、陶瓷、玻璃以及日用品等各种行业中发挥着不可替代的作用。由于各种产品对金属锂纯度的要求非常高,因此传统的电解还原法制备金属锂已经不能满足人们的需求而且其反应能耗大,污染环境,因而对高纯金属锂的精炼工艺的改进也就显得格外重要。
  
  关键词:高纯金属锂;精炼工艺;改进。
  
  目前,我国工业方面对金属锂的要求虽然不统一,但是一般情况下在锂电池以及锂合金等反面对锂的纯度要求是要大于 99.9%,对于核工业以及航天工业上对锂的纯度要求则会更高。而传统的电解法得到的金属锂的纯度仅为 94% ~ 98%,因此这种方法显然已经不能满足我们的需求,因而在对传统电解法得到的金属锂在应用之前会重新进行熔融精炼。虽然这种办法使得锂的纯度得到提高,但是由于其会在电解时产生大量的毒性气体不利于环保,而且对设备以及原料有着很高的要求,工艺复杂,投资大等特点,因此对其进行改进以及开发新的精炼工艺方法是有着非常重要作用的。
  
  1 对金属锂进行高纯度精炼的作用。
  
  金属锂是在 1817 年由瑞典化学家阿·阿尔夫维特桑在一种稀有的岩石中发现的。而如今随着我国的科学技术的不断发展,对于金属锂的开发利用技术也在不断得到提高。目前金属锂不仅被广泛的应用到电池、陶瓷、玻璃等工业反面,也被应用到了核工业以及航天事业等高科技行业。由于我国传统陶瓷不仅对能量的要求很高还,对环境造成了很大的污染,而碳酸锂不仅可以满足减小相同质量的陶瓷对能量的消耗而且降低了对环境的污染,因而使得我国对金属锂的需求逐渐增高。与此同时,锂在玻璃的生产过程中的作用也在不断的被发现。虽然锂电池是金属锂的最大消费领域但是如今玻璃和陶瓷行业已成为锂的第二大消费领域。
  
  由于金属锂其物理性质(例如比热容大、热导率高、密度小、液相温度范围较宽)等特点,因此其可以在核聚变反应或核裂变反应堆中起到很好的制冷作用。而其化合物溴化锂则也具备了锂的“制冷”特性,从而也被广泛的应用到空调,制冷和空气净化等方面。
  
  锂及其化合物因其燃烧度高、火焰宽、发热量大等特点,而被用于火箭、飞机等大型设备上。在农业方面,锂可以制造“锂盐肥料”而用于防治西红柿腐烂和小麦锈穗病等。金属锂不仅在工业上对人们有所帮助,而且在工业等方面都影响着人们的生活。我国的金属锂矿产资源丰富,因此对其进行精炼提纯不仅可以使我国金属资源得到充分的利用,还可以应用锂在工业方面的作用进一步降低对环境的污染等。
  
  2 高纯金属锂精炼工艺以及改进方法。
  
  如今,国际上已经研究出了新的锂生产以及精炼的方法,逐渐由传统的岩矿产转向盐湖卤水提锂,而在此反应过程中得到的最便宜和最初级的产品碳酸锂可以直接用于热还原法制锂。热还原法生产锂其生产过程虽然具有间歇性、生产耗能高等缺点,并且对于反应炉采用高温、真空等条件所以也就需要选择成本较为昂贵的特殊材质,但是与真空热还原法精炼金属锂的整体工艺相比较,其反应对原料要求低而且在整个生产过程中无毒、无污染,其产品纯度也将会达到 99.9% 及以上。以下就以真空热还原―蒸馏法为例进行阐述。
  
  3 真空热还原 - 蒸馏法制备高纯金属锂工艺以及改进。
  
  真空热还原 - 蒸馏法提纯金属锂是基于矿物质中锂以及其中杂质在一定的温度下会具有不同的蒸气压,因而在这个条件下,依据各物质组成成分的蒸发速度以及冷凝速度的差异,是杂质等成分有效的与金属锂达到分离及提纯的目的。
  
  在此次热还原―蒸馏法反应过程中,其各组分元素在液相和气相中的分布规律是根据相对挥发度的大小来进行判断的。如果将液态金属锂蒸馏视为理想溶液蒸馏,则相对挥发度为:
  
  α=p1/p2 (1)。
  
  式中:α 为相对挥发度,p1、p2 分别为杂质元素和金属锂的蒸气压力。
  
  根据实际反应规律来看,在 1073K 温度下钾、钠的相对挥发度比锂大,容易挥发;而铁、硅、铝的相对挥发度比锂小,难以挥发;而钙和镁的相对挥发度与锂相差较小,难以用蒸馏法除去。因此文章采用新的蒸馏方法即真空蒸馏法。
  
  本方法提纯金属锂其反应炉则选择锈钢制造。并且经过电解后的金属锂从粗锂熔化罐中加到锂蒸馏炉内,熔化后流入蒸馏坩埚中。在其相对挥发度大于 1 的时候,钾、钠蒸发速度较快,经过冷凝分离之后,回收到蒸馏罐温度较低的上部。而在相对挥发度小于 1 的情况下,高熔点杂质则会大部分残留在蒸馏坩埚中。对传统的蒸馏炉进行这样的改造加工,不仅起到了过滤、蒸馏、精馏、低温蒸馏的作用而且还可以通过过滤等简单的方法除去在电解金属锂的过程中的氧化物等不熔化合物,起到了一举多得的作用。
  
  当蒸馏坩埚的温度达到 973 ~ 1073K 时,金属锂则会从坩埚中挥发出来,并受到上部低温罐体的作用下冷凝变成液态再次回流到罐底,而回流到罐底的熔融金属锂,依然还存在着低温蒸馏的作用。因此不仅在回流过程中熔融金属锂不断的与罐壁、冷凝罩和金属蒸气进行热交换和物质交换,甚至到放入纯锂接收罐的整个过程中,金属锂均处于蒸馏提纯状态。因此采用此方法进行金属锂的提纯,金属锂的纯度可达 99.9% ~ 99.99%.蒸馏前电解金属锂的成分以及蒸馏炉的材质结构都会成为影响金属锂纯度的影响因素。要想尽可能使得金属锂纯度高,则其原料纯度也要高。
  
  虽然本方法得到的金属锂纯度相对较高,但也有着许多需要改进的地方。例如由于这种蒸馏方法需要将锂蒸发,因而其电能消耗大,蒸馏效率低;另外,由于蒸馏温度过高,因此会使其熔体造成严重的腐蚀。为了克服金属锂在热还原―真空蒸馏法提纯过程中的缺点,采取一种经济可行的办法来提纯金属锂,即先提纯氯化锂,通过简单的工艺来除去高沸点钙、硅、铁、铝等杂质,然后再应用电解法来提纯纯度较高的氯化锂,从而在低温条件下进行蒸馏来除钾、钠的熔融金属锂。为使得提纯金属锂的蒸馏效率得到提高,可以在蒸馏设备上安装电磁或机械搅拌器,以使得金属锂在不断的搅拌下保持新鲜的表面,从而利于钾、钠的挥发。或者受到金属锂与个别杂质蒸气压差别小的影响,选择应用高温真空蒸馏法来提纯金属锂,即是向熔融金属锂中加入少量 B2O3,然后于低温、高真空下,在钼制筛板的多级回流塔中进行分馏提纯。其反应方程式为:
  
  6Li+B2O3=3Li2O+2B (2)。
  
  Li2O+Ca=CaO+2Li (3)。
  
  4 采用热还原―真空蒸馏法的优点。
  
  (1)本反应工艺是还原和蒸馏反应同时进行的,有效的控制了热还原以及蒸馏过程中的温度和真空度,并且在同一设备中进行了多次提纯,可以直接起到制备和提纯的作用,并且金属锂的纯度可以达到 99.99% 左右。
  
  (2)由于产品的制备和提纯同时进行反应,因此可以有效的减少在反应过程中物料的损失以及能耗,使得工艺过程变得相对简单。
  
  (3)本反应过程是在同一炉中进行的,即将还原炉和蒸镏炉结合在了一起,通过对炉体不同温度的控制控制,从而将传统单一的反应炉变为了具有还原和蒸馏双重作用的反应炉。二次蒸馏炉由于其保护器和蒸馏器的作用,从而也使得传统工艺生产过程中需要的真空过滤等设备数量减少,从而使得不仅提纯工艺变得简化而且也提高了锂的纯度,设备也最大化的得到利用。
  
  5 结束语。
  
  如今,金属锂作为利用率相对高的金属资源得到了越来越高的重视,核聚变发电等科技得到进一步突破性进展之后,作为其重要的金属原料金属锂的需求也将会变得越来越多。现在除了继续对锂电池的发展之外,也将开发研制第二代锂燃料电池。在工业方面,金属锂在炼铝以及我国航空事业的发展方面也将会得到迅速发展。由于世界矿石资源的丰富储备,金属锂的作用也将会应用到生活中的各个方面,虽然在提纯金属锂的工艺上取得了很大的发展,但依然面临着许多的问题。如传统的电解法的能耗和环境污染问题,以及最新研制的真空还原法中金属锂固体熔渣的综合利用问题等都是需要解决的问题。但是无论怎样,根据目前的发展趋势,真空热还原法虽然存在着不足,但其依然是未来最具有发展前途的金属锂提纯方法。
  
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