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碳酸鋰（Li 2 CO 3） 是鋰電池、玻璃陶瓷和製藥業的主要原料。鋰沉澱製程直接影響成品的純度和產率。在鋰沉澱過程中，採用化學沉澱法將鋰離子轉化為固體碳酸鋰，反應條件和操作參數對於確保產品品質至關重要。本文將系統性分析鋰沉澱的關鍵參數和純度控制方法。
一、析鋰的基本原理及析鋰反應式分兩條路徑解釋：
1.直接炭化：
LiCl或LiOH+CO 3 2- → Li 2 CO 3 
+其他副產物。在高溫下（如≥95℃），鋰離子與碳酸根離子在鹼性環境（如高濃度Na2CO3溶液）中反應生成不溶性碳酸鋰沉澱。
2.間接沉澱法（以碳酸銨為例）：
LiCl + (NH₄)2CO₃ → Li2CO₃ 
+ 2NH₄Cl
使用碳酸銨作為沉澱劑時，反應速度相對較慢，需要延長反應時間（60～120分鐘，最佳反應時間為90±10分鐘）才能確保沉澱物完全。
II. 鋰沉澱反應條件的最佳化
1. 最佳溫度範圍
碳酸鋰沉澱的溫度需依原料特性及製程目標進行調整，核心範圍集中在70~95℃之間。
· 高溫條件（90-95℃）： 在鋰長石提純等製程中，維持90-95℃可加速Li⁺–CO₃²⁻反應速率，減少雜質包覆，提高鋰析出效率。例如，鋰析母液脫碳時，需加熱至70℃以促進CO₂揮發。
· 溫度對雜質的影響：低溫（<70°C）可能導致Li₂O沉澱不完全，增加母液中鋰的損失。過高的溫度（>95°C）可能會加劇成核現象，導致鈉和鎂等雜質混入晶體結構。
2. pH控制策略
鋰沉澱系統中的pH值需要分階段調節，以平衡反應效率和雜質去除：
· 沉澱階段pH：碳酸鈉濃度控制在1.5~2 mol/L時，反應溶液pH值需維持在8.4~9.2之間，此範圍可確保Li₂CO₃優先沉澱，同時抑制Na⁺、SO₄²⁻等雜質的共沉澱。
· 脫碳及母液處理：沈鋰後，加硫酸調節母液pH至6~7，釋放殘餘CO₂，再升pH至12.5進行鈣鎂絡合，利用NaOH中和，使金屬離子沉澱。
· 洗滌階段pH值：洗滌母液的pH值一般在10～12之間，需要中和處理才能達到排放標準。
三、提高純度的關鍵技術
1. 雜質去除工藝
· 物理化學結合法：
洗滌、離心：粗碳酸鋰用95℃純水攪拌洗滌，除去表面吸附的Na⁺、SO₄²⁻等，離心分離後回收母液用於製備純鹼。
螯合沉澱：加入EDTA（如0.8kg/20000L反應器）螯合Ca²⁺和Mg²⁺離子，再以氫氧化鈉調節pH值，實現共沉澱。
逐步沉澱法：扎布耶鹽湖製程採用化學逐步鹼化，先除去Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺等雜質，最後用碳酸銨析鋰，純度可達99.90%。
2. 反應條件的微調
· 進料方式及攪拌參數：
碳酸鈉必須以滴加的方式緩慢加入，以防止局部過飽和導致異常晶體成核。同時，攪拌速度控制在300-500 rpm，以確保均勻混合，並最大限度地減少機械破碎。
碳酸鈉與鋰溶液的摩爾比建議為1.05-1.2（30%-50%過量CO₃²⁻），確保反應完全，同時最大限度地減少母液中鋰的損失。
3. 後處理淨化技術
· 三級二氧化碳淨化： 透過通入二氧化碳將pH值調節至中性，使微量雜質（例如Mg²⁺、Cl⁻）以碳酸鹽形式沉澱。最終產品純度超過99%，但需要透過離子交換進一步去除硫酸根離子。
· 膜分離與離子交換：對於浸出母液中的微量雜質（如Na⁺<0.2wt%），可用奈米濾膜截留大分子雜質，或用強酸性陽離子交換樹脂吸附金屬離子。
四、品質控制和製程改進方向
1.分析測試方法
· 常規檢測：重量法分析鋰含量，誤差±0.5%，適用於麤品篩選；原子吸收光譜法（AAS）可檢測ppm級雜質，ICP-MS可分析微量元素（如Fe、Al<10ppm）。
· 形貌與結構特性： SEM觀察晶粒形貌，XRD驗證純度，IR光譜確認扎布耶型碳酸鋰的特徵峰。
2. 現存挑戰及最佳化路徑
抑制共晶現象：透過降低母液中的 Li₂O/CO₃²⁻ 比率（例如，<0.7）來減少鈉鋰共晶的形成，或引入種子晶體方法來控製成核生長速率。
母液回收：將沉鋰母液經脫碳除雜後濃縮，二次沈鋰可使鋰總回收率達95%以上。
結論
優化碳酸鋰沉澱需要係統地整合溫度、pH值、進料控制和多級純化技術。目前的最佳實務為：溫度：鋰沉澱90-95℃，脫碳酸70℃；反應體系pH值：8.4-9.2，母液處理pH值：6-7；純度控制：分步沉澱+三級純化+膜分離，結合ICP-MS線上監測，達到>99.9%的純度目標。未來的發展應著重於智慧製程參數聯鎖系統，以應對原料波動和環保要求。