本發(fā)明涉及金屬材料領(lǐng)域，尤其涉及一種鋰的提純方法。
背景技術(shù)：
1、近年來(lái)，隨著太陽(yáng)能電池領(lǐng)域的發(fā)展，高純鋰的制備技術(shù)和裝備被作為重點(diǎn)研究方向，目前較為常用的提純金屬鋰的方法為低溫真空蒸餾爐，其主要機(jī)理為將粗鋰在保護(hù)性介質(zhì)中熱熔為液態(tài)鋰后，用真空脫雜方法脫除保護(hù)性介質(zhì)，再通過(guò)真空蒸餾使易揮發(fā)雜質(zhì)與金屬鋰分離。
2、高純度金屬鋰通常是先用電解法提取，獲得純度為96%-99%的工業(yè)級(jí)金屬鋰，再通過(guò)進(jìn)一步的提純獲得高純度金屬鋰，傳統(tǒng)金屬鋰的提純主要采用蒸餾法使雜質(zhì)元素金屬鈉、鉀及其它雜質(zhì)與金屬鋰分離，將工業(yè)級(jí)粗鋰提純?yōu)榧兌?9.9%~99.99%以上的高純金屬鋰，如中國(guó)專利申請(qǐng)cn104805312a、cn119776677a以及中國(guó)專利cn100584972c、cn100432248c，均是采用蒸餾分離得到高純鋰。
3、上述現(xiàn)有技術(shù)仍存在以下問(wèn)題：1.蒸餾效率低，蒸餾時(shí)間長(zhǎng)，耗能高；2.精餾塔設(shè)備復(fù)雜，塔結(jié)構(gòu)材料難以選擇；3.針對(duì)物理性質(zhì)與鋰十分接近的物質(zhì)分離難度較高；4.工藝操作復(fù)雜，且對(duì)設(shè)備真空度要求高。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本發(fā)明提供了一種高純度金屬鋰的制備方法及裝置，用以解決背景技術(shù)中提及的現(xiàn)有方法存在的技術(shù)問(wèn)題。
2、為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提出的技術(shù)方案為：
3、一種高純度金屬鋰的制備方法，包括以下步驟：
4、s1、將含鋰原料與萃取介質(zhì)混合得到混合物，在保護(hù)性氣氛下對(duì)所述混合物進(jìn)行第一次升溫，使得萃取介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)橐合啵卦O(shè)定時(shí)間后冷卻；所述萃取介質(zhì)包括銫和/或銣；
5、s2、在真空環(huán)境下對(duì)冷卻后的混合物進(jìn)行第二次升溫，使得所述萃取介質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀啵占Ｓ喙腆w即得到所述高純度金屬鋰。
6、經(jīng)發(fā)明人研究發(fā)現(xiàn)，雖然能與鋰共熔的金屬有很多，但是能選擇性地溶解雜質(zhì)元素na、k，而不會(huì)溶解主元素鋰的只有金屬銣或金屬銫，金屬鋰中的雜質(zhì)na、k在金屬銣或金屬銫中有一定的溶解度，而金屬鋰在金屬銣或金屬銫中沒有溶解度，作為示例：在溫度為500℃時(shí)，金屬鋰中的雜質(zhì)元素na、k在熔融金屬銫中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為100wt.%、100wt.%。本發(fā)明正是基于此，創(chuàng)造性發(fā)現(xiàn)并利用了銫/銣對(duì)li和na/k完全不同的溶解選擇性，提出采用金屬熔體萃取的方法，以熔融的金屬銫（cs）、金屬銣（rb）或二者的合金作為萃取介質(zhì)，在密封和稀有氣體保護(hù)條件下，加熱至特定溫度并保溫使萃取介質(zhì)銣或銫處于液態(tài)，雜質(zhì)元素則充分溶解在萃取介質(zhì)中，同時(shí)，金屬鋰的熔點(diǎn)為180.5℃，沸點(diǎn)為1342℃；金屬銣的熔點(diǎn)為39.5℃，沸點(diǎn)為688℃；金屬銫的熔點(diǎn)為28.5℃，沸點(diǎn)為668~705℃，萃取出na、k雜質(zhì)后，冷卻至室溫，使熔融的金屬鋰與萃取介質(zhì)-雜質(zhì)體系凝固，可進(jìn)一步利用銣或銫沸點(diǎn)與金屬鋰的熔點(diǎn)差異，進(jìn)一步在真空環(huán)境下進(jìn)行二次加熱，可使待提純金屬與萃取介質(zhì)蒸汽分離，最終獲得雜質(zhì)元素含量低的高純產(chǎn)品。
7、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，s1中，所述含鋰原料與萃取介質(zhì)的質(zhì)量比為1：（3~8）。
8、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，s1中，所述第一次升溫的終點(diǎn)溫度為50~600℃，保溫時(shí)間為2~8h。首先，確保萃取介質(zhì)完全轉(zhuǎn)變?yōu)榈驼扯取⒏吡鲃?dòng)性的液相，有利于其與含鋰原料充分接觸并進(jìn)行物質(zhì)交換。其次，2-8小時(shí)的保溫時(shí)間提供了充足的動(dòng)力學(xué)條件，使雜質(zhì)元素有足夠時(shí)間從固相金屬鋰內(nèi)部擴(kuò)散至表面并溶解到液相萃取介質(zhì)中，從而達(dá)到最佳的萃取平衡。該溫控和時(shí)間窗口協(xié)同作用，確保了雜質(zhì)的高效、選擇性去除。
9、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述萃取介質(zhì)的純度≥99.99%。
10、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述保護(hù)性氣氛為純度≥99.99%的氬氣氣氛。在第一次升溫熔融過(guò)程中，構(gòu)建了一個(gè)高度惰性、無(wú)氧、無(wú)水分且低活性的環(huán)境。高純氬氣能有效隔絕空氣，防止金屬鋰和熔融態(tài)的銫/銣在高溫下與氧氣、氮?dú)狻⑺魵獾劝l(fā)生氧化、氮化或劇烈反應(yīng)，避免了副產(chǎn)物的生成和物料損失，保障了操作過(guò)程的安全性。同時(shí)，高純氣氛也杜絕了外部雜質(zhì)（如氧氣、氮?dú)猓┑囊耄_保了萃取過(guò)程的純凈度和最終產(chǎn)品的品質(zhì)。
11、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，s2中，所述第二次升溫過(guò)程中的真空度≤1.0×10-2pa，第二次升溫的終點(diǎn)溫度為50~150℃，保溫時(shí)間為3~6h。嚴(yán)格控制真空度和加熱參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了萃取介質(zhì)與高純金屬鋰的完美分離。其技術(shù)效果為：在≤1.0×10-2pa的高真空環(huán)境下，顯著降低了銫和/或銣的沸點(diǎn)（例如，銫常壓沸點(diǎn)671℃，銣常壓沸點(diǎn)688℃），使其在低至50-150℃的溫度范圍內(nèi)即可高效氣化揮發(fā)。該溫度區(qū)間（50-150℃）遠(yuǎn)低于金屬鋰的熔點(diǎn)（180.5℃），確保了金屬鋰始終保持固態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了固態(tài)鋰與氣態(tài)萃取介質(zhì)之間的非接觸式、高效率分離。3-6小時(shí)的保溫時(shí)間保證了介質(zhì)能夠被充分、完全地脫除。這一方案在極低的能耗下，實(shí)現(xiàn)了萃取介質(zhì)的徹底回收和產(chǎn)品的凈化，避免了高溫蒸餾對(duì)設(shè)備的高要求和高能耗。
12、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，收集轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗟妮腿〗橘|(zhì)，冷凝后循環(huán)使用。由于銫和銣均為稀有且昂貴的金屬資源，該方法通過(guò)簡(jiǎn)單的冷凝回收步驟，實(shí)現(xiàn)了萃取介質(zhì)的近乎100%再利用。這不僅大幅度降低了高純度金屬鋰的生產(chǎn)成本，解決了該工藝工業(yè)化的關(guān)鍵經(jīng)濟(jì)瓶頸，同時(shí)也減少了資源消耗和廢棄物排放，符合綠色、可持續(xù)的化工冶金理念。
13、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述含鋰原料為純度≤99.50%的金屬鋰粗品。
14、作為上述技術(shù)方案的進(jìn)一步優(yōu)選，所述高純度金屬鋰的純度≥99.80%。
15、基于同一技術(shù)構(gòu)思，本發(fā)明還提供一種高純度金屬鋰的制備裝置，用于實(shí)施上述技術(shù)方案所述的制備方法，包括反應(yīng)單元、冷凝單元和氣氛控制單元，所述反應(yīng)單元設(shè)置有氣孔，所述反應(yīng)單元通過(guò)氣孔與冷凝單元和氣氛控制單元均保持密封連接。
16、本發(fā)明為實(shí)現(xiàn)上述制備方法提供了一個(gè)可靠、高效、一體化的硬件支持。密封連接的氣孔與氣氛控制單元協(xié)同作用，能夠精確地為s1步驟創(chuàng)造所需的保護(hù)性氣氛，并滿足s2步驟對(duì)高真空的嚴(yán)格要求。同時(shí)，反應(yīng)單元與冷凝單元的直連結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)s2步驟中氣化后的萃取介質(zhì)的原位、高效冷凝回收，避免了物料轉(zhuǎn)移過(guò)程中的污染和損失。該裝置結(jié)構(gòu)緊湊、操作簡(jiǎn)便，完美適配了本發(fā)明方法點(diǎn)，有效解決了背景技術(shù)中設(shè)備復(fù)雜、真空度要求過(guò)高的問(wèn)題。
17、本發(fā)明具有以下有益效果：
18、本發(fā)明以粗鋰為原料，以熔融的金屬銫（cs）、金屬銣（rb）或二者的合金作為萃取介質(zhì)，利用na和k在金屬銫、金屬銣中有一定的溶解度，而鋰不溶于金屬銫、金屬銣的特點(diǎn)，有效地降低粗鋰中的雜質(zhì)na/k含量，然后真空蒸餾得到高純金屬鋰。本發(fā)明通過(guò)熔體萃取對(duì)粗鋰進(jìn)行凈化除雜，可對(duì)金屬原料鋰進(jìn)行處理，以制得高純金屬鋰產(chǎn)品，其中na凈化率在84%以上，k凈化率在83%以上，制得的高純度鋰純度在99.8%以上，收率在95%以上，且工藝流程短，蒸餾溫度低，能耗低，只需用普通加熱器加熱控溫即可，反應(yīng)和蒸餾裝置簡(jiǎn)單，除應(yīng)用普通的真空設(shè)備外，實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可只需一根簡(jiǎn)單的玻璃蒸餾管，解決了傳統(tǒng)蒸餾效率低、能耗高、流程長(zhǎng)、設(shè)備復(fù)雜的難題。
19、下面將參照具體實(shí)施方式，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。