Введение к работе
Актуальность исследования. Литий - один из важнейших металлов, определяющих научно-технический прогресс в настоящее время. Он первый среди металлов по легкости и удельной теплоемкости, по положению в ряду напряжений металлов, а также по целому ряду своих физико-химических свойств. Многие соединения лития, да и сам металл в последнее время приобрели исключительную важность в современных технологиях, в силу чего производство лития и литиевой продукции устойчиво и неуклонно возрастает. В 2007 г. мировое производство литиевой продукции составило около 23000 т. Не будет преувеличением считать литий металлом близкого будущего.
Промышленными источниками лития в мире служат пегматитовые руды, которые могут стать основными источниками получения лития. К основным способам переработки литиевых руд, концентратов относят сульфатно-кислотные и щелочные способы. Необходимо отметить, что в настоящее время основным продуктом переработки как первичного, так и вторичного литиевого сырья является карбонат лития.
Металлический литий можно получать 2 способами электролитическим и металлотермическим. В настоящее время электролитический метод является достаточно эффективным и применяется в промышленных масштабах.
Однако этот способ имеет ряд существенных недостатков:
необходимость использования наиболее дорогой соли лития (LiCl);
использование и необходимость утилизации хлоридного электролита;
ориентация на большие масштабы производства;
необходимость улавливания и обезвреживания выделяющегося газообразного хлора;
применение дорогих коррозионностойких и термостойких материалов в конструкции
электролизера;
использование дорогого постоянного тока низкого напряжения. Металлотермический способ лишен этих недостатков. Для получения лития можно использовать недорогие исходные продукты - оксид или алюминаты лития. При металлотермии используется переменный ток, стоимость которого ниже стоимости постоянного тока низкого напряжения. Данное производство является практически безотходным так как, получаемые шлаки можно использовать в производстве электролиза алюминия. Этот способ составляет незначительную часть мирового производства лития. Это связано с низким содержанием лития в исходном сырье (алюминаты лития). Для увеличения производительности аппаратов восстановления необходимо использовать более богатое по содержанию лития соединение -оксид лития, получаемый путем термической диссоциации карбоната лития.
В связи с вышесказанным актуальной является задача разработки экологически безопасной и экономически эффективной технологии получения лития совмещенным процессом «диссоциация-восстановление» карбоната лития.
Работа выполнялась в рамках аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы (2006-2008гг.)» по проекту «Изучение физико-химических и технологических основ процесса получения лития совмещенным процессом «диссоциация-восстановление» карбоната лития»
Цель работы. Создание экологически безопасной и экономически эффективной технологии получения лития совмещенным процессом «диссоциация-восстановление» карбоната лития, полученного из первичного сырья.
Основные задачи исследования:
Исследовать процесс диссоциации карбоната лития, полученного из первичного сырья полученного, в присутствии порошка алюминия;
Выполнить термодинамическую оценку возможности взаимодействия твёрдого и жидкого алюминия с продуктами диссоциации карбоната лития;
Исследовать кинетические закономерности процесса диссоциации карбоната лития в присутствии порошка алюминия. Определить оптимальные условия протекания процесса термического разложения карбоната лития;
Исследовать кинетические закономерности процесса восстановления оксида лития порошком алюминия. Определить оптимальные условия протекания процесса восстановления лития из его оксида;
Разработать технологическую схему и аппаратурное оформление совмещенного процесса «диссоциация-восстановление» карбоната лития.
На защиту выносятся:
установленные кинетические закономерности процесса диссоциации карбоната лития в присутствии порошка алюминия;
установленная зависимость степени диссоциации карбоната лития от массы брикета при постоянном диаметре;
результаты термодинамической оценки взаимодействия твёрдого и жидкого алюминия с продуктами диссоциации карбоната лития;
результаты исследования кинетических закономерностей процесса восстановления оксида лития в присутствии порошка алюминия;
установленные технологические параметры разрабатываемого процесса, а так же технологическая схема и основной аппарат для получения лития.
Методы исследования. В работе использованы следующие физико-химические методы исследования: рентгенофазовый анализ и энергодисперсионная спектрометрия, весовой анализ; для определения кинетических параметров использована высокотемпературная вакуумная установка с автоматической записью длительности процесса и изменения массы образца, манометрический метод определения равновесного давления газа, для определения оптимальной скорости нагрева был использован метод половинного деления отрезка, в нашем случае промежутка времени. В работе использованы методы математической обработки экспериментальных данных с применением ЭВМ.
Научная новизна работы.
Предложен и научно обоснован совмещенный процесс диссоциации и восстановления карбоната лития алюминием;
На основе термодинамических и экспериментальных данных установлено, что при медленном нагреве от 700 С до 740 С не происходит оплавления брикета и степень диссоциации карбоната лития в присутствии порошка алюминия достигает ~ 100 % в максимально короткое время;
Экспериментально установлено, что окисление порошка алюминия не происходит из-за образования нового более плотного слоя на его поверхности, который сохраняет свои свойства в атмосфере диоксида углерода при диссоциации карбоната лития;
На основе экспериментальных данных установлено, что для увеличения степени извлечения лития и для избежание образования жидкой фазы процесс восстановления его оксида алюминием необходимо проводить в 2 стадии.
Практическая значимость работы.
На основании экспериментальных данных определено, что при скорости нагрева 0,33 ± 0,02 С/мин от 700 С до 740 С не происходит оплавления брикета и степень диссоциации карбоната лития в присутствии порошка алюминия достигает ~ 100 % в максимально короткое время. При скорости нагрева 0,38 ± 0,02 С/мин и выше наблюдается оплавление брикета.
На основании экспериментальных данных выявлено, что в результате термического разложения карбоната лития не происходит окисление порошка алюминия из-за образования более плотного слоя моноалюмината лития, который сохраняет свои свойства в атмосфере диоксида углерода до 950 С.
На основе термодинамических и экспериментальных данных показано, что алюминотермическое восстановление оксида лития необходимо проводить в 2 стадии: на 1-й стадии - до получения смеси алюминатов лития состава: пятилитиевый алюминат (30±5 %) и моноалюминат лития (70±5 %) при температуре 950 С в течение 1 ч; на 2-й стадии - получение
лития из смеси алюминатов лития при температуре 1200 С в течение 2 ч. Степень извлечения лития составила выше 90%.
Разработанный способ получения лития прошел укрупненные лабораторные испытания на базе научно-производственной, проектно-конструкторской, технологической фирмы «Вак ЭТО». Акт испытаний подтвердил достигнутые показатели в лабораторных условиях. Степень извлечения лития составила 92 %.
Апробация работы. Основные положения и результаты доложены на российских и международных конференциях: II Международная научно-практическая конференция «Металлургия легких металлов. Проблемы и перспективы», г. Москва (2006г.); 61, 62 научная конференция студентов МИСиС. г. Москва (2006-2007гг.); Ш-й инновационный форум Росатома, секция «Энергетика и энергосбережение». Москва, (2008г), Международная научно-практическая конференция «Металлургия цветных металлов. Проблемы и перспективы» г. Москва (2009г.).
Публикации. По результатам работы опубликованы одна статья в рецензируемом журнале, пять тезисов докладов в материалах научных конференций, выпущен отчет о НИР, получено два патента РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 180 страницах, содержит 24 таблицы, 63 рисунка, список литературы из 81 наименования и 2 приложения.
