锂矿的工业应用及开发技术.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 21 日 作者简介：蒋佳威（1984），男，汉族，浙江诸暨人，浙江大唐袜业城有限公司，工程师，大学本科，研究方向为建筑工程。-30-锂矿的工业应用及开发技术 熊 峰 宜春市泰昌矿业有限公司，江西 宜春 336000 摘要：摘要：高新产业对锂的需求量不断增加，一定程度上促进了锂行业的繁荣发展，不断提升了锂行业的战略地位。近五年，全球锂勘查投入量不断增加，涨幅高达 50 倍，锂行业不断成为高新产业竞争的关键。基于上述背景，本文在对锂矿资源分布及特点论述的基础上，进一步分析了离矿的工业应用类型。同时区分论述了以矿石为原料的开发技术以及以盐湖卤水为原料的开发技术。关键词：关键词：锂矿；工业应用；开发技术 中图分类号：中图分类号：TD982 锂是密度最小的活泼金属，能够在室温环境下与氮气进行化学反应，这是锂区别于其他碱金属元素的重要特性。由于锂具备良好的化学属性，其在能源、医学、工业等多个行业领域被大量使用1。随着产业升级调整的不断推进，高新技术产业发展进程加快，世界各国对锂的需求和消费随之水涨船高，推动了锂矿价格的急速攀升，短短数年间，碳酸锂市场交易价较往年直线翻番，几乎同一时期，业务范围与锂相关的公司股价也一路飙升，世界范围内快速席卷形成“淘锂热”2。经历此轮狂热后，锂矿交易价转而急速下降，但锂矿需求热度仍在持续。当前，新能源汽车热度不减且发展迅速，锂矿是新能源汽车行业研发生产的重要资源，在全球各国新能源汽车生产中占据重要的战略性地位，受到各国高度重视，短短五年间，各国在锂矿勘探中投入的资金以 50 倍的增速快速增长，锂矿资源是各国抢占的竞争高地。因此，随着锂矿资源工业应用的不断增加，其开发技术在现有的基础上不断创新，以期能够通过技术来增强资源的开发效果。1 锂矿资源分布及特点 中国锂矿储藏量大，资源优质，空间领域呈集中分布特点，开发利用难度小，这使我国在锂矿资源中占据一定优势。但是由于锂矿属于不可再生资源，导致其存在稀缺性等特点3。1.1 锂矿资源分布 我国拥有规模大、储藏量大的锂矿资源，锂矿可开采量位居世界第四，在全世界可被开发利用的锂矿储存量中占据 5.9%的份额，按照锂矿资源来源的差异划分，现有的锂矿资源有源自于湖泊、井底、地下等的卤水型锂矿以及从花岗岩等类型岩石中提取出的硬岩型锂矿。从不同矿石中提取锂资源的难度和品质存在差异，实际应用中主要从锂辉石、锂云母等岩石中获取硬岩锂。其中，前者绝大部分存在于花岗伟晶岩型锂矿，提炼出的锂资源品质高，开发利用难度小；后者绝大多数存在于花岗岩型锂矿，在中国宜春等多个地区均有分布。当前，中国经过勘察可供利用的锂资源中 99.9%集中分布在青海、西藏、四川、江西、湖北和湖南等地区。1.2 锂矿资源特点（1）隐匿性和未知性。矿产资源形成的重要条件之一是地表深处的地质运动，通常被埋藏于地下，与外界环境相隔绝，体现了隐匿性强的特点。同时，也正是矿产资源强隐匿性、强未知性的特征，且施工作业环境为地下，不可预料与控制的因素较多，与其他工业领域相比，矿产资源开采利用需要耗费勘探、矿山建设等多项高额成本，综合生产支出高。（2）耗竭性和不可再生性。地球的诞生与发展演变历经数十亿年，与之相比，人类发展史仅仅是倏忽一瞬间，在地球漫长的发展史中，矿产资源经过以亿年为单位的时间积累形成，并将随着时间的流逝不断增加储量，但该历程尤为漫长，对发展史相对极为短暂的人类来说，时间的巨大差异意味着矿产资源实际上是非再生性的。矿产资源是自然形成的宝藏，人类应在科学规划的基础上有效利用，最大限度地利用其促进经济发展、社会进步。（3）稀缺性和分布失衡性。地质构造存在地区差中国科技期刊数据库 工业 A-31-异性，其发展运动也无绝对可循性规律，导致在地质运动作用下产生的矿产资源存在明显的地区分布失衡性。当前，城市建设、行业发展等加速推进，人类对资源的需求和消耗持续快速增长，即便地球矿产资源储存量可观，但由于形成时间长且无法再生，因此，矿产资源具有稀缺属性。2 锂矿的工业应用类型 人们对锂元素化学性质的理论研究和实践应用不断深入，其密度小、性质活泼、可塑性强等绝佳性能被挖掘，在工业、能源、医学等研究领域发挥着重要价值，在世界范围内受到高度关注和认可，获得“推动世界前进的能源金属”的美誉，其在一国经济社会发展中占据重要的战略性地位。2.1 锂矿应用于能源供给行业 锂矿普遍应用于能源的供给中，对于各类小型电池的应用已经成为一种普及化状态，除此之外，还会应用于新能源汽车等大型电池装置中，还会以燃料电池的形态应用于发电等行业。2.1.1 在各类小型电池中的应用 经济社会的快速腾飞伴随着化石能源的大规模使用，由此引发气候变暖等环境问题，直接威胁到人类的生存和长远发展，全球各国对此给予高度重视。锂电池在能源供应中具有无污染、使用时间长的优势，能够实现在满足人类能源需求的同时兼顾生态保护，锂电池被广泛应用在各种微型、移动、便捷式精密设备仪器中，在医学、军事等重点领域亦被大量使用。锂电池应用领域的拓展带动了锂资源的使用，生产锂电池消费 65%的锂资源，显著拉动了锂资源的消费。2.1.2 在新能源汽车中的应用 由于锂在能源供应中具有独特优势，因此其直接关系到新能源相关产业的发展及安全。其中尤以对新能源汽车发展的影响最为深远，该产业在锂资源产业链条的发展中发挥至关重要的作用。现阶段，新能源汽车主要使用锂离子电池供能，在今后较长时期内，这一配置将保持相对稳定。国际能源署等预估截止大约 2035 年，新能源汽车的生产和使用格局会发生大幅调整，世界范围内，电动车及混动车产量占比将达到 37%和 33%，二者总产量将以 70%的占比超出燃油车产量；2040 年，该数值将增加至 90%。与此同时，截止 2035 年，世界各国碳酸锂需求量将大幅攀升，由 2018 年 23.8 万吨激增到 430万吨。分行业来看，17 年间，新能源汽车行业从 7 万吨跃升至 400 万吨，在锂资源消费方面，该行业将做出约 99%的贡献，在锂消费中占据绝对重要的地位。中国在电动车消费中位居世界首位，对锂资源有着大额且持续的消费需求。2.1.3 在能源燃料中的应用 熔融碳酸盐燃料电池是区别于火力、水力、核能等模式新研发形成的电池，该电池以锂为主要电解质，一经推出，便迅速扩大应用领域实现快速发展，被视为发展应用前景广阔的第二代燃料电池。现阶段，该电池的研发使用范围遍及欧美亚等多个国家。该电池以其更高效环保的发电优势成为第四代发电装置，其发电效率是活力发电的 1.05-1.2 倍，该电池在使用过程中不会生成对环境不利的物质，因此属于环境友好型的清洁能源。2.2 锂矿应用于航空航天领域 铝锂合金强度大、密度低，被广泛应用于航空航天设备生产制造中，以该材料为原料制造的飞机重量小、性能优异、抗腐蚀能力强，因此，通常被用于制造对安全和性能要求高的民用飞机及战斗机。自 1980年起，美国等发达国家在铝锂合金研发上取得新突破，其技术已更新至新第三代，这些品质过硬、性能优异的合金在推进航空领域发展中发挥重要作用。中国研制应用铝锂合金时间短，部分成果突出，采用铝锂合金制造 C919 客机及天宫一号空间站等，极大地降低了机身重量，飞行器的成功飞行也验证了中国铝锂合金应用所取得的成果。统计数据显示，铝锂合金的应用在降低单位重量的同时经济收益同步扩大十倍，由此可见，锂在航空领域发展前景广阔。2.3 锂矿应用于核聚变反应实验 锂被用于可控核聚变反应堆，这被视为是最具有发展前景的领域。该反应过程中应用的化学原料为是氚和氘，锂在其中起到冷凝的作用，除此之外，锂也是制作氚的重要原料。功率为 1000 兆瓦的变电站锂消费量为 500-1000 吨，这就意味着，由多国联合制定的“国际热核聚变实验堆（ITER）计划”启动实施，锂需求量将实现爆发式增长，对世界范围内人类的生产生活产生颠覆式改变。3 锂矿资源的开发技术 中国科技期刊数据库 工业 A-32-表 1 以矿石为原料的开发技术优缺点 方法 优点 缺点 硫酸盐法 适用于几乎所有含锂矿石。温度控制要求高，硫酸钾使用成本高。石灰烧结法 生产成本不高。耗费大量能源，设备损坏程度大，需高质量石灰，存在能耗高、回收难、矿泥凝聚频繁、识别运维难度大等问题，已逐步趋于淘汰。氯化焙烧法 技术简单易于操作，回收程度高，耗费能源少，用时短。支出大、生成物收集难度大、对反应设备防腐蚀性能有要求。纯碱压煮法 适用于锂云母矿，支出小，对反应设备造成的腐蚀小，生成气体易于收集。反应条件严苛，原材料要求高。硫酸法 应用领域多，耗费能源少，生成物易于回收。生成物杂质多，强酸强碱使用量大，要求反应设备具有较强防腐蚀性能。世界各国在推进产业调整、行业发展的过程中伴随着锂消费量的激增，为了实现降本增效、提高产能的目的，锂提取技术研发成果不断涌现，品控更加严格。技术应用与锂资源来源相关，矿石提锂和卤水提锂技术存在差异4。3.1 以矿石为原料的开发技术 锂矿石指锂辉石、锂云母等含富含锂元素的矿石。矿石类型决定了锂元素在其中的存在方式，对应不同的提锂技术方法5。矿石提锂技术通常被用作电池级碳酸锂，硫酸法适用的岩石类型更多，但由于强腐蚀性易导致设备寿命降低，纯减压煮法能够兼顾设备防腐蚀及气体收集，优势较为明显，具有良好的应用前景。具体的方法优缺点见表 1。上述方法中，各具特色，而使用最硫酸法，本文以此方法为例进行技术工艺分析。锂辉石被大量应用于提取碳酸锂。通常使用的技术为硫酸浸取法，该方法操作过程简便，耗费的资源和经济投入少，技术成熟，被广泛应用于各类矿石提取锂元素中。详细工艺流程图见图 1。3.2 以盐湖卤水为原料的开发技术 锂资源来源于锂辉石等矿石以及深井、盐湖等卤水中6。从矿石中提取锂元素历经较长时间，以卤水作为原材料获取锂资源则起步较晚，但卤水存量大、提取耗费能源低、提取技术简单，因此被大量应用于提取锂资源。下面主要介绍几种优势开发技术。（1）纳滤膜法 纳滤膜法是采用只有低价离子通过的分离膜对不同离子进行分离，在以盐湖卤水为原材料提取锂资源时，分离膜能够将卤水中的镁离子分离出去，同时截留二价锂离子，实现镁锂离子分离，去除分离物中的其余杂质得到碳酸锂。该技术具有简便高效的优势。将该方法应用于锂资源提取中，能通过多次重复使用提高锂资源利用效率，同时，提高锂资源开发利用的机械化程度。目前，纳滤膜法已成功应用于斯塔尔动力投资有限公司、五矿盐湖等企业，完成了每年开发两千吨锂矿资源的中试试验，将新技术不断用于锂资源的研发与应用过程。图 1 硫酸法提取锂资源（2）电渗析膜法 电渗析膜法是借助直流电场与交换膜将卤水中其他例子不断转移，得到含锂丰富的卤水，去除杂质后得到碳酸锂产品，达到镁离子与锂离子分离的效果。在盐湖化工锂资源开发时，电渗析膜法中交换膜表面容易附着硼镁复合物，外加电场容易造成短路而击穿交换膜。因此，应及时清晰与维护电渗析膜，提高盐湖化工的生产效率，确保公司锂矿资源开发能够有序进行。此外，电渗析膜法在青海东台吉乃尔盐湖应用中达到了每年一万吨的产能。（3）吸附法 中国科技期刊数据库 工业 A-33-吸附法主要利用吸附剂吸附卤水中锂离子，利用过滤洗涤等工艺分离出锂离子。与电渗析膜法、锻造法相比，吸附法工艺流程简洁易行，具有较高的回收率，尤其适用于高镁低锂型卤水的锂离子提取。该方法应用于察尔汗盐湖，产能达到 1 万吨。图 2 盐梯度太阳池提锂法（4）盐梯度太阳池提锂法 盐梯度太阳池提锂法利用太阳能将预晒地和晒地中的卤水蒸发，借助冷源凝结卤水，不断提升卤水中锂离子浓度，同时达到去除卤水杂质的效果。在此基础上，将锂离子浓度高的卤水导入结晶池，太阳能不断提升结晶池温度而析出碳酸锂，得到相应的锂精矿，利用热洗、碳酸化等工艺将锂精矿碳酸化，获取热西矿，其中碳酸锂含量达到 90%以上。为了得到相应的碳酸锂产品，需对卤水进行日晒、沉淀、过滤等工艺（图2）。盐梯度太阳池提锂法适用于碳酸锂含量高、富锂贫镁的盐湖中。因此，盐梯度太阳池提锂法应用于西藏扎布耶属碳酸盐型盐湖后表现出极强的适用性。4 结语 锂矿资源的工业应用前景广泛，当前其发展趋势更为明朗。锂矿的工业大量应用必须要增强其资源开发力度，因此，离不开开发技术的有效应用。就现状来看，锂矿开发技术由于其资源的形态不同而有较大的差异性，针对不同的锂矿产业实施技术的开发也是产业进一步发展的动力。通过开发技术的不断创新，才能够进一步为锂矿产业的发展奠定良好的基础。相关企业应该从自身的实际出发，针对现有的技术加以良好的实践开发与创新，从而增强锂矿的技术提取效果。参考文献 1胡雅璐,李平,贾健,杨宗喜,张万益.新疆锂矿产业链高质量发展对策研究J.新疆地质,2023,41(S1):109.2王芳.锂矿资源研究D.北京:中国地质大学(北京),2020.3隰弯弯,赵宇浩,倪培,姚春彦,朱意萍,郑璐,姚仲友,王天刚.锂矿主要类型 特征 时空分布及找矿潜力分析J.沉积与特提斯地质,2023,43(01):19-35.4乔宇,韩志轩,张必敏.硬岩型与卤水型锂矿开发技术回顾J.桂林理工大学学报,2019,39(02):321-334.5吴西顺,孙艳,王登红,黄文斌,黄凡,高曦,张炜,姚翔.国际锂矿开发的技术现状 革新及展望J.矿产综合利用,2020,(06):110-120.6王卓,黄冉笑,吴大天,许逢明,孙巍,张德会,赵院冬.盐湖卤水型锂矿基本特征及其开发利用潜力评价J.中国地质,2023,50(01):102-117.