Negocios globales, Grupo BICHEM
El carbonato de litio ( Li₂CO₃ ) es la principal materia prima para baterías de litio, vitrocerámicas y la industria farmacéutica. El proceso de precipitación de litio influye directamente en la pureza y el rendimiento de los productos terminados. Durante la precipitación de litio, se aplica precipitación química para convertir los iones de litio en carbonato de litio sólido, donde las condiciones de reacción y los parámetros operativos son cruciales para garantizar la calidad de los productos. Este ensayo analizará sistemáticamente los parámetros cruciales de la precipitación de litio y los métodos para controlar la pureza.
I. El principio básico de la precipitación de litio y la fórmula de la reacción de precipitación de litio se explican de las siguientes dos maneras:
1. Carbonización directa:
LiCl o LiOH+CO 3 2-→ Li 2 CO 3 
+ otros subproductos. A altas temperaturas (p. ej., ≥95 °C), los iones de litio reaccionan con iones de carbonato en un entorno alcalino (p. ej., una solución de Na₂CO₃ a alta concentración) para formar un precipitado insoluble de carbonato de litio.
2. Método de precipitación indirecta (utilizando carbonato de amonio como ejemplo):
LiCl + (NH₄)₂CO₃ → Li₂CO₃ 
+ 2NH₄Cl
Al utilizar carbonato de amonio como agente precipitante, la velocidad de reacción es relativamente lenta. Se requiere un tiempo de reacción prolongado (60-120 minutos, óptimo a 90 ± 10 minutos) para asegurar una precipitación completa.
II. Optimización de las condiciones de reacción de precipitación de litio
1. Rango de temperatura óptimo
La temperatura para la precipitación de carbonato de litio debe ajustarse en función de las características de la materia prima y los objetivos del proceso, con un rango central concentrado entre 70 y 95 °C.
Condiciones de alta temperatura (90-95 °C): En procesos como la purificación de feldespato de litio, mantener una temperatura de 90-95 °C acelera la velocidad de reacción de Li⁺–CO₃²⁻, reduce la encapsulación de impurezas y mejora la eficiencia de la precipitación de litio. Por ejemplo, la descarbonatación de las aguas madres de precipitación de litio requiere calentarlas a 70 °C para promover la volatilización del CO₂.
Efectos de la temperatura sobre las impurezas: Las bajas temperaturas (<70 °C) pueden provocar la precipitación incompleta del Li₂O, lo que aumenta la pérdida de litio en las aguas madres. Las temperaturas excesivamente altas (>95 °C) pueden exacerbar los fenómenos de nucleación, lo que provoca la incorporación de impurezas como el sodio y el magnesio a la estructura cristalina.
2. Estrategia de control del pH
El pH en el sistema de precipitación de litio requiere un ajuste gradual para equilibrar la eficiencia de la reacción y la eliminación de impurezas:
· pH de la fase de precipitación: Cuando la concentración de carbonato de sodio se controla entre 1,5 y 2 mol/L, el pH de la solución de reacción debe mantenerse entre 8,4 y 9,2. Este rango garantiza una precipitación preferencial de Li₂CO₃, a la vez que suprime la coprecipitación de impurezas como Na⁺ y SO₄²⁻.
Descarbonización y tratamiento de las aguas madres: Tras la precipitación del litio, ajustar el pH de las aguas madres a 6-7 añadiendo ácido sulfúrico para liberar el CO₂ residual. Posteriormente, elevar el pH a 12,5 para la complejación de calcio y magnesio, neutralizando con NaOH para precipitar los iones metálicos.
· pH de la etapa de lavado: El pH de las aguas madres de lavado normalmente varía entre 10 y 12 y requiere un tratamiento de neutralización para cumplir con los estándares de descarga.
III. Tecnologías clave para la mejora de la pureza
1. Procesos de eliminación de impurezas
· Métodos de combinación físico-químicos:
Lavado y centrifugación: El carbonato de litio crudo se somete a un lavado con agitación con agua pura a 95 °C para eliminar el Na⁺, SO₄²⁻, etc. adsorbidos en la superficie. Después de la separación centrífuga, el licor madre se recupera para la preparación de carbonato de sodio.
Precipitación por quelación: agregue EDTA (por ejemplo, reactor de 0,8 kg/20 000 L) para quelar los iones Ca²⁺ y Mg²⁺, luego ajuste el pH con hidróxido de sodio para lograr la coprecipitación.
Método de Precipitación Escalonada: El proceso del Lago Salado de Zhabuye emplea una alcalinización química escalonada. Primero, se eliminan el Fe³⁺, el Al³⁺, el Ca²⁺ y otras impurezas. Finalmente, se precipita el litio con carbonato de amonio, alcanzando una pureza del 99,90 %.
2. Ajuste fino de las condiciones de reacción
· Método de alimentación y parámetros de agitación:
El carbonato de sodio debe añadirse lentamente mediante goteo para evitar la nucleación anormal de cristales causada por la sobresaturación localizada. Simultáneamente, la velocidad de agitación se controla a 300-500 rpm para asegurar una mezcla uniforme y minimizar la fragmentación mecánica.
La relación molar de carbonato de sodio a solución de litio se recomienda en 1,05-1,2 (30%-50% de exceso de CO₃²⁻), lo que garantiza una reacción completa y minimiza la pérdida de litio en las aguas madres.
3. Técnicas de purificación postratamiento
Purificación de CO₂ en tres etapas: Ajuste el pH a neutro burbujeando CO₂, precipitando las impurezas traza (p. ej., Mg²⁺, Cl⁻) como carbonatos. La pureza del producto final supera el 99 %, aunque se requiere intercambio iónico para eliminar aún más los iones sulfato.
· Separación de membranas e intercambio iónico: para impurezas traza en el licor madre de lixiviación (por ejemplo, Na⁺ < 0,2 % en peso), las membranas de nanofiltración pueden retener impurezas macromoleculares, o las resinas de intercambio catiónico fuertemente ácidas pueden adsorber iones metálicos.
IV. Direcciones de control de calidad y mejora de procesos
1. Métodos de pruebas analíticas
· Pruebas de rutina: Análisis gravimétrico del contenido de litio con un error de ±0,5 %, adecuado para la detección de productos crudos; la espectroscopia de absorción atómica (AAS) detecta impurezas a nivel de ppm, mientras que la ICP-MS analiza elementos traza (por ejemplo, Fe, Al < 10 ppm).
· Morfología y caracterización estructural: SEM para observación de la morfología del grano, XRD para verificación de pureza y espectroscopia IR para confirmar picos característicos del carbonato de litio tipo Zabuye.
2. Desafíos existentes y vías de optimización
Supresión de fenómenos eutécticos: reducir la formación eutéctica de sodio y litio disminuyendo la relación Li₂O/CO₃²⁻ en las aguas madres (por ejemplo, <0,7) o introducir métodos de cristales semilla para controlar las tasas de crecimiento de la nucleación.
Reciclaje de licor madre: Concentrar el licor madre precipitado con litio tras la descarbonatación y la eliminación de impurezas. La precipitación secundaria de litio puede elevar las tasas de recuperación total de litio a más del 95 %.
Conclusión
La optimización de la precipitación de carbonato de litio requiere la integración sistemática de la temperatura, el pH, el control de la alimentación y las tecnologías de purificación multietapa. Las mejores prácticas actuales son: Temperatura: 90-95 °C para la precipitación de litio, 70 °C para la descarbonatación; pH: 8,4-9,2 para el sistema de reacción, 6-7 para el tratamiento de las aguas madres; Control de pureza: Precipitación gradual + purificación en tres etapas + separación por membrana, combinado con monitorización en línea ICP-MS, logrando objetivos de pureza >99,9 %. El desarrollo futuro debe centrarse en sistemas inteligentes de interconexión de parámetros de proceso para abordar las fluctuaciones de la materia prima y los requisitos ambientales.