Rührwerke und Mischlösungen für die Lithiumverarbeitung

Fast das gesamte Lithium wird derzeit entweder aus Lithiumchlorid-Sole, die aus dem Untergrund gepumpt wird, oder aus Hartgestein-Spodumen gewonnen.

Es gibt verschiedene Veredelungsprozesse zur Herstellung von Lithium in Batteriequalität, aber die meisten umfassen typischerweise die folgenden Schritte:

1. Extraktion: Lithium wird aus Sole oder Hartgestein gewonnen
2. Konzentration: Das extrahierte Lithium wird durch Verdampfungsprozesse konzentriert
3. Reinigung: Das konzentrierte Lithium wird gereinigt, um Verunreinigungen zu entfernen, hauptsächlich durch Extraktions-, Fällungs- und Kristallisationsprozesse
4. Umwandlung: Das gereinigte Lithium wird durch Reaktion oder Karbonisierung in Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid umgewandelt, die in der Batterieherstellung verwendeten Formen

In jeder dieser Phasen ist das Rühren unerlässlich, um eine gleichmäßige Vermischung, eine korrekte Reaktionskinetik sowie einen effizienten Wärmeübergang und Stoffaustausch zu gewährleisten.

Um Lithiumcarbonat aus Sole oder Hartgestein-Spodumen zu reinigen, muss es von Verunreinigungen getrennt werden. In einem ersten Schritt geschieht dies über einen Fällungskristallisationsprozess. Um jedoch ein verarbeitungsfertiges Material für Batterien zu erhalten, ist ein weiterer Reinigungsschritt unumgänglich. In diesem Schritt wird Lithiumhydrogencarbonat durch Zugabe von CO2 gelöst. Anschließend werden die verbleibenden festen Verunreinigungen abgefiltert, gefolgt von der erneuten Ausfällung des reinen Lithiumcarbonats – wobei das CO2 wieder freigesetzt wird.

Dieser Karbonisierungsschritt umfasst zwei gerührte Reaktionsschritte:

Insbesondere die Begasung der Lithiumcarbonat-Suspension mit CO2 bei niedrigen Temperaturen sollte mit einem effizienten Gas-Flüssigkeits-Dispergierer erfolgen.

Die Zersetzung bei hohen Temperaturen erfordert ebenfalls ein effizientes Mischen; hier wird das CO2 zurückgewonnen und kann im Karbonisierungsschritt wiederverwendet werden.

Fällungs- / Kristallisationsprozess:

Die Umwandlung der löslichen Lithiumverbindungen (Lithiumchlorid aus Sole, Lithiumsulfat aus Hartgestein) in Lithiumcarbonat erfolgt sehr häufig in Leitrohr-Kristallisatoren, die in diesem Fall nicht mit Verdampfung, sondern meist mit Natriumcarbonat-Zufuhr arbeiten. In einer parallelen Prozesslinie wird üblicherweise auch Natriumsulfat als Nebenprodukt in Leitrohr-Kristallisatoren veredelt und gereinigt.

Lithiumcarbonat aus Sole:
Die gereinigte Lithiumchloridlösung wird mit Natriumcarbonat (Soda) versetzt, um Lithiumcarbonat (Li₂CO₃) auszufällen.

LiCl + Na₂CO₃ -> Li₂CO₃ + 2 NaCl

Lithiumcarbonat aus Hartgestein-Spodumen:
Die Lithiumsulfatlösung wird mit Natriumcarbonat versetzt, um Lithiumcarbonat auszufällen.

Li₂SO₄ + Na₂CO₃ -> Li₂CO₃ + Na₂SO₄

Für diese Prozesse setzt EKATO seine effiziente Axialpumpe EKATO TORUSJET in den Leitrohr-Kristallisatoren ein. Diese Lösung bietet verschiedene Vorteile:

• Effizientere axiale Strömung um bis zu 30 %, was zu höheren Pumpleistungen führt.
• Reduzierung der Leistungsaufnahme um bis zu 30 %, was zu niedrigeren Betriebskosten führt
• Schonende Verarbeitung von Feststoffen zur Verbesserung der Korngrößenverteilung und Produktqualität
• Robuster Abtrieb und Produktqualität

Zusätzlich zum Rührwerk können wir durch Laborversuche in unserem eigenen Leitrohr-Kristallisator und entsprechende CFD-Analysen zu einer effizienten Auslegung des Kristallisators beitragen.

Karbonisierungs- / Zersetzungsprozess:

Das EKATO Combined Gassing System kann an fast jede Behälterkonfiguration und -größe angepasst werden.

Während der Zersetzung wird die Lösung erhitzt, um alle verbleibenden löslichen Lithiumverbindungen wie Sulfate oder Chloride aufzuspalten und Lithiumoxid freizusetzen. Das Lithiumoxid kann dann in Wasser gelöst und mit einer Säure neutralisiert werden, um eine reine Lithiumlösung zu erhalten. Diese Lösung kann dann kristallisiert werden, um hochwertiges Lithiumcarbonat oder -hydroxid zu gewinnen. Das bei der Zersetzung freigesetzte CO2 wird recycelt, indem es in den vorherigen Karbonisierungsprozess zurückgeführt wird, wo es durch das EKATO Combined Gassing System zur Reaktion gebracht wird.

Für diesen Zersetzungs- und Kristallisationsprozess setzt EKATO auf Rührwerke mit dem hocheffizienten EPOX-R, das zahlreiche Vorteile bietet:

• Sehr guter Wärmeübergang und Wärmerückgewinnung
• Hohe lokale Leistungsaufnahme
• Effiziente Kristallisation für hochreines Lithiumcarbonat
• Optimierte CO₂-Rückführungsstrategien

1. Konzentration und Primärkristallisation von Lithiumhydroxid-Monohydrat

• Prozessbeschreibung: Die Lithiumhydroxidlösung wird anschließend durch Verdampfung konzentriert, um eine gesättigte Lösung herzustellen. Das Lithiumhydroxid-Monohydrat (LiOH·H₂O) wird durch weitere Verdampfung oder Abkühlung der Lösung auskristallisiert.
• Einsatz eines Leitrohr-Kristallisators: Hier wird typischerweise der DTC eingesetzt. Der DTC gewährleistet eine geregelte Kristallisation von Lithiumhydroxid-Monohydrat durch kontinuierliche Umwälzung und gleichmäßige Temperaturverteilung. Dies führt zu einer einheitlichen Kristallgröße und erleichtert die Abtrennung der Kristalle von der Mutterlauge.

2. Reinigung durch Umkristallisation

• Prozessbeschreibung: Das in der Primärkristallisation gewonnene Lithiumhydroxid-Monohydrat kann noch Verunreinigungen enthalten. Um eine höhere Reinheit zu erzielen, kann das Lithiumhydroxid wieder in Wasser gelöst und einem Umkristallisationsprozess unterzogen werden. Die Verunreinigungen werden gelöst und das gereinigte Lithiumhydroxid-Monohydrat kristallisiert erneut aus.
• Einsatz eines Leitrohr-Kristallisators: Der DTC ist auch in dieser Phase sehr nützlich. Er ermöglicht eine gleichmäßige Umkristallisation durch Umwälzung der Lösung und Gewährleistung einer homogenen Übersättigung und Temperaturverteilung. Dies führt zu einer besseren Kontrolle der Kristallgröße und einer höheren Reinheit des Endprodukts.

3. Endkristallisation für hochreines Lithiumhydroxid-Monohydrat

• Prozessbeschreibung: Besonders reines Lithiumhydroxid-Monohydrat wird für Anwendungen wie die Batterieproduktion benötigt. Daher kann eine weitere Kristallisation durchgeführt werden, um das Produkt weiter zu reinigen und auf die gewünschten Spezifikationen zu bringen.
• Einsatz eines Leitrohr-Kristallisators: Der Einsatz eines DTC ist auch in diesem Schritt vorteilhaft, um hochreines Lithiumhydroxid-Monohydrat herzustellen. Der DTC stellt sicher, dass die Kristalle gleichmäßig und frei von Einschlüssen oder Verunreinigungen sind, indem der Kristallisationszustand präzise gesteuert wird. Die kontinuierliche Bewegung im Kristallisator reduziert zudem das Risiko von Agglomerationen.

Vorteile des Leitrohr-Kristallisators mit EKATO TORUSJET Mischer

• Effiziente Umwälzung und Wärmeübergang fördern ein gleichmäßiges Kristallwachstum.
• Bessere Kontrolle der Kristallgröße und Korngrößenverteilung
• Geringeres Risiko von Fouling und Krustenbildung, was zu einem effizienteren und stabileren Betrieb führt.
• Energieeffizienz

Insgesamt ist der Leitrohr-Kristallisator eine entscheidende Komponente bei der Herstellung von hochwertigem Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid-Monohydrat, die sich durch ihre Fähigkeit zur geregelten Kristallisation und effizienten Reinigung auszeichnet.

Konzentration, Laugung und Neutralisation

Bei der Herstellung von Lithiumcarbonat oder Lithiumhydroxid-Monohydrat aus Spodumen (Hartgestein) gibt es einen weiteren wichtigen Prozessschritt, der den oben genannten Fällungs- und Reinigungsschritten vorgelagert ist und bei dem unsere Rührwerke von großer Bedeutung sind:

Die Umwandlung des Spodumen-Konzentrats in Lithiumsulfat. Hier spielen die Rührwerke eine wesentliche Rolle bei der Laugung und der anschließenden Neutralisation.

Das geröstete β-Spodumen wird bei hoher Temperatur mit Schwefelsäure (H₂SO₄) gelaugt, um Lithium in Lithiumsulfat (Li₂SO₄) umzuwandeln, wobei andere Mineralien als unlösliche Rückstände zurückbleiben.

beta-Spodumen + H₂SO₄ -> Li₂SO₄ + Al₂(SO₄)₃ + SiO₂

Das Lithiumsulfat wird in Wasser gelöst, um eine Lithiumsulfatlösung herzustellen.

Mit jahrzehntelanger Expertise in den verschiedenen Laugungsprozessen gewährleisten unsere Rührwerke ein effizientes und kraftvolles Mischen, um die Feststoffsuspension aufrechtzuerhalten und die Laugungsreaktion zu verbessern. Unsere Rührwerke sind für die hochkorrosive saure Umgebung und hohe Temperaturen ausgelegt, verhindern Ablagerungen im Behälter und sorgen für eine gleichmäßige Temperaturverteilung.

Es wird immer häufiger die Möglichkeit geben, Lithium über das Recycling von Elektrofahrzeugbatterien mit hydrometallurgischen Prozessen auf Basis von Aktivmaterial (Schwarzmasse) aus dem Recycling zurückzugewinnen.

Die wachsende Nachfrage nach Elektrofahrzeugen (EVs) und die begrenzte Verfügbarkeit von Lithiumressourcen haben Anreize für die Entwicklung effizienter und nachhaltiger Methoden zum Recycling von Lithium aus Altbatterien geschaffen.

EKATO ist einer der führenden Anbieter für maßgeschneiderte Rührwerke und Mischlösungen in hydrometallurgischen Prozessen. Diese umfassende Expertise lässt sich übertragen und kann Ihr Projekt zum chemischen Batterierecycling schnell zum Erfolg führen.