DE102023111177A1 - Process for treating a wastewater stream from the production of cathode active material - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lithiumhaltigen Kathodenaktivmaterialen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Aufbereitung eines Lithiumhaltigen Abwasserstroms, welcher aus der Herstellung des Kathodenmaterials stammt, und wobei dabei zurückgewonnenes Lithium dem Herstellungsprozess des lithiumhaltigen Kathodenaktivmaterials in einem Kreisprozess zurückgeführt wird. The invention relates to a method for producing lithium-containing cathode active materials. The invention also relates to a treatment of a lithium-containing wastewater stream which originates from the production of the cathode material, and wherein recovered lithium is returned to the production process of the lithium-containing cathode active material in a cyclic process.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von lithiumhaltigen Kathodenaktivmaterialen. Die Erfindung betrifft darüber hinaus eine Aufbereitung eines Lithiumhaltigen Abwasserstroms, welcher aus der Herstellung des Kathodenmaterials stammt, und wobei dabei zurückgewonnenes Lithium dem Herstellungsprozess des lithiumhaltigen Kathodenaktivmaterials in einem Kreisprozess zurückgeführt wird.The invention relates to a method for producing lithium-containing cathode active materials. The invention also relates to a treatment of a lithium-containing wastewater stream which originates from the production of the cathode material, and wherein recovered lithium is returned to the production process of the lithium-containing cathode active material in a cyclic process.
Hintergrundbackground
Die Elektromobilität steht in großer Kritik aufgrund der mangelnden Nachhaltigkeit bei der Herstellung von Elektrobatterien, insbesondere dem lithiumionenhaltigen Kathodenaktivmaterial. Sowohl die Gewinnung des Lithiums, wie auch die fehlende Kreislaufschließung und die begrenzt verfügbaren Mengen an Lithium stellen eine große Herausforderung für die Herstellungsprozesse dar. Die Herstellung des Kathodenaktivmaterials ist nach heutigem Stand der Technik nicht als „green technology“ zu betrachten. Nicht nur der hohe Energiebedarf, sondern auch der hohe Bedarf an Lithium und sonstigen Metalloxiden, wie z.B. Nickel, Cobalt und Mangan machen die Zukunft der Elektromobilität sehr fragwürdig. Deshalb ist diese Erfindung von besonderer Bedeutung für die Zukunftstechnologie Elektromobilität. Nur durch Kreislaufschließung und Verhinderung von Abwässern und Abfällen aus dem Produktionsprozess hat die Elektromobilität mit Lithiumionenbatterien eine Zukunft. Diese Erfindung ermöglicht eine (nahezu) 100%ig abfall- und abwasserfreie Herstellung von Kathodenaktivmaterial.Electromobility is under great criticism due to the lack of sustainability in the production of electric batteries, especially the cathode active material containing lithium ions. Both the extraction of lithium, the lack of closed-loop recycling and the limited quantities of lithium available represent a major challenge for the production processes. The production of the cathode active material cannot be considered a "green technology" according to the current state of technology. Not only the high energy requirements, but also the high demand for lithium and other metal oxides, such as nickel, cobalt and manganese, make the future of electromobility very questionable. This invention is therefore of particular importance for the future technology of electromobility. Electromobility with lithium-ion batteries only has a future by closing the loop and preventing waste water and waste from the production process. This invention enables (almost) 100% waste- and wastewater-free production of cathode active material.
Oft sind die Einleitbedingungen der Produktionsstätten und einzuhaltenden Grenzwerte an Lithium, Nickel, Cobalt, Mangan, Sulfat, etc. mit dem Stand der Technik gar nicht realisierbar. Deshalb kommen dann oft Eindampferanlagen zur Aufkonzentrierung des Abwassers zum Einsatz. Der dafür erforderliche, hohe Energieaufwand steht nicht im Einklang mit dem Nachhaltigkeitsgedanken. Auch eine weitere Aufbereitung und Rückgewinnung von Lithium aus dem Konzentrat (Sumpfprodukt) ist deutlich aufwendiger und kostenintensiver als das in dieser Erfindung durch optimierte Stoffströme anfallende lithiumreiche Lösung.Often, the discharge conditions of the production facilities and the limit values to be observed for lithium, nickel, cobalt, manganese, sulfate, etc. cannot be implemented with the current state of technology. This is why evaporation systems are often used to concentrate the wastewater. The high energy consumption required for this is not in line with the idea of sustainability. Further processing and recovery of lithium from the concentrate (bottom product) is also significantly more complex and costly than the lithium-rich solution produced in this invention through optimized material flows.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung bestand somit in der Bereitstellung eines abfall- und abwasserfreien Verfahrens zur Herstellung eines lithiumhaltigen Kathodenaktivmaterials, bei dem durch Kreislaufschließung die Rohstoffe ausschließlich im Produkt landen und Verunreinigungen (wie z.B. Sulfat) abgetrennt und in ein verwertbares Produkt überführt werden. Die Verluste an Rohstoffen, insbesondere von Lithium und anderen im Vorprodukt enthaltenen Metallen sollen auf ein Minimum reduziert und die Entstehung von Abfällen ausgeschlossen werden. Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung bestand darin, dass der gesamte Produktionsprozess ohne zusätzlichem Wasser, insbesondere von demineralisiertem oder VE-Wasser, auskommt.The object of the present invention was therefore to provide a waste and wastewater-free process for producing a lithium-containing cathode active material, in which the raw materials end up exclusively in the product through closed-loop processing and impurities (such as sulfate) are separated and converted into a usable product. The losses of raw materials, in particular lithium and other metals contained in the preliminary product, should be reduced to a minimum and the generation of waste should be excluded. A further aim of the present invention was that the entire production process can be carried out without additional water, in particular demineralized or deionized water.
Gegenstand der Erfindungsubject matter of the invention
Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren umfassend die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausführungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.The object is achieved by a method comprising the features of claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung stellt hierzu ein Verfahren bereit, umfassend die Schritte:
- a) Bereitstellen eines oder mehrerer
Metallverbindungen 3; - b) Bereitstellen einer Lithiumverbindung 1;
- c) Entwässern 11 der Metallverbindung und
Entwässern 9 der Lithiumverbindung und Abtrennen des 15, 19 zur Weiterführung in die Waschwasser-entstehenden Kondensats Vorlage 47 und Verwendung als Waschwasser; - d) Herstellen eines Metall-Oxidgitters und Li-
Einlagerung 24 - e)
Waschen 28 der aus Schritt d) erhaltenen Lithium-Metalloxidverbindung 26 mit der Waschwasser-Vorlage 34 aus Schritt c), Filtern der Lithium-Metalloxidverbindung über eineFiltereinrichtung 32 und Abtrennen einesFiltrats 42 und einesFeststoffes 44; - f) Reinigen der Filtereinrichtung mit der
Waschwasservorlage 38 und Rückführen desSpülwassers 40 zur Waschwasser-Vorlage 47 und Aufbereiten der Waschwasser-Vorlage 47 zum Erhalt eines Li-reichen Stoffstroms 48; - g) Aufbereiten des Li-
haltigen Stoffstroms 60 aus Schritt f) um eineLithiumverbindung 62 zu erhalten und Rückführung der nach Aufbereitung erhaltenen Lithiumverbindung in das Verfahren.
- a) providing one or
more metal compounds 3; - b) providing a lithium compound 1;
- c) dewatering 11 the metal compound and dewatering 9 the lithium compound and separating the resulting
15, 19 for further conveyance into thecondensate wash water receiver 47 and use as wash water; - d) Preparation of a metal oxide lattice and
Li incorporation 24 - e) washing 28 the lithium
metal oxide compound 26 obtained from step d) with thewash water receiver 34 from step c), filtering the lithium metal oxide compound through afilter device 32 and separating afiltrate 42 and a solid 44; - f) cleaning the filter device with the
wash water reservoir 38 and returning therinse water 40 to thewash water reservoir 47 and processing thewash water reservoir 47 to obtain a Li-rich material stream 48; - g) processing the Li-containing
material stream 60 from step f) to obtain alithium compound 62 and returning the lithium compound obtained after processing to the process.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren ist bevorzugt, dass die Waschwasser-Vorlage 47 aus Schritt f) einer Ultra-filtration 49 unterzogen wird und das entstehende Filtrat/Klarphase 50 in einen Filtrat-Sammelbehälter 51 überführt wird.In the process according to the invention, it is preferred that the
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Filtrat/Klarphase 50 einer Nanofiltration 53 und/oder Diffusionsdialyse unterzogen, wobei das entstehende Filtrat 54 der Waschwasser-Vorlage 47 zugeführt wird und wobei eine Liangereicherte Lösung 56 abgetrennt wird.According to an advantageous embodiment of the invention, the filtrate/
Erfindungsgemäß wird die Li-reiche Lösung 56 einem Membrantrennverfahren 61 unterzogen, wobei ein Li-reicher und sulfatarmer Stoffstrom 60 erhalten wird, wobei der Li-reiche Stoffstrom entwässert wird und das entwässerte Li-Produkt der Lithiumverbindung 1 zugeführt wird und das Kondensat 64 der Waschwasser-Vorlage 47 zugeführt wirdAccording to the invention, the Li-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Filtern in Schritt e) mittels einer Kammerfilterpresse 32 und der Rücklauf aus der Reinigung der Kammerfilterpresse 32 wird der Waschwasser-Vorlage 47 zugeführt.According to an advantageous embodiment of the invention, the filtering in step e) is carried out by means of a
Die Li-Konzentration in der Waschwasser-Vorlage 47 wird während des Verfahrens konstant gehalten.The Li concentration in the
Bevorzugt im Sinne des erfindungsgemäßen Verfahrens ist ferner, dass die jeweiligen Stoffströme aus den jeweiligen Filtrations- und Waschverfahren kaskadierend der Waschwasservorlage 47 zugeführt werden. In
Das Verfahren benötigt kein extern zugeführtes Wasser, destilliertes Wasser oder VE-Wasser. Deshalb wird gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kein externes VE-Wasser zugeführt.The process does not require any externally supplied water, distilled water or deionized water. Therefore, according to a further advantageous embodiment of the invention, no external deionized water is supplied.
Die Metalloxide, die in dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden, sind bevorzugt Metallhydoxide umfassend die Metalle Ni, Mn, Co, Al oder Mischungen der genannten, wobei Kombinationen aus Co, Ni und Mn mit Li am meisten bevorzugt sind.The metal oxides used in the process according to the invention are preferably metal hydroxides comprising the metals Ni, Mn, Co, Al or mixtures thereof, with combinations of Co, Ni and Mn with Li being most preferred.
Die Lithiumverbindung ist bevorzugt Lithiumhydroxid oder Lithiumcarbonat, welche gewöhnlich Hydratwasser aufweisen. Am meisten bevorzugt ist LiOH*1H2O.The lithium compound is preferably lithium hydroxide or lithium carbonate, which usually contain water of hydration. Most preferred is LiOH*1H 2 O.
Die Additive für die Herstellung der Li-Metalloxidverbindungen sind bevorzugt Borsäure, Aluminiumsulfat, Zirkonoxid und Aluminiumhydroxid. Es sind jedoch auch andere Additive, beispielsweise Schwefelsäure, Natronlauge, Titandioxid und dergleichen erfindungsgemäß verwendbar.The additives for the preparation of the Li metal oxide compounds are preferably boric acid, aluminum sulfate, zirconium oxide and aluminum hydroxide. However, other additives, for example sulfuric acid, caustic soda, titanium dioxide and the like, can also be used according to the invention.
Die Verwendung von LiOH*1H2O als Ausgangsstoff führt vorteilhafterweise beim Entwässerungsschritt zur Bildung eines Kondensats, welches aufgefangen und für spätere Waschschritte wiederverwendet wird. Dadurch entfällt der Bedarf an VE-Wasser vollständig. Nach dem Stand der Technik werden pro Tonne hergestelltes Kathodenaktivmaterial ca. 2,5 m3 VE-Wasser benötigt. Das entspricht bei einem aktuell üblichen Marktpreis von VE-Wasser in Höhe von 0,80 €/m3 bereits einer Ersparnis von 2€ pro Tonne Kathodenaktivmaterial. Ebenso entsteht durch die Entwässerung des Precursor-Vorprodukts (Metallhydroxidgemisch) ein Kondensat, das jedoch durch deutlich geringeren Wasseranteil (abhängig von Produktqualität) nur einen geringen Anteil ausmacht, welches der Vollständigkeit halber ebenfalls dem Waschwasser zugeführt wird. Dies ermöglicht damit u.a. den Einsatz von anderen Qualitäten mit höherem Wasseranteil.The use of LiOH*1H 2 O as a starting material advantageously leads to the formation of a condensate during the dewatering step, which is collected and reused for later washing steps. This completely eliminates the need for deionized water. According to the state of the art, approximately 2.5 m 3 of deionized water is required per ton of cathode active material produced. At a current market price of deionized water of €0.80/m 3, this already corresponds to a saving of €2 per ton of cathode active material. The dewatering of the precursor intermediate product (metal hydroxide mixture) also produces a condensate, which, however, only makes up a small proportion due to the significantly lower water content (depending on product quality), and which is also added to the washing water for the sake of completeness. This enables the use of other qualities with a higher water content, among other things.
Detaillierte Beschreibung der ErfindungDetailed description of the invention
Die positive Elektrode in der Batterie wird oft als „Kathode“ bezeichnet. In den meisten herkömmlichen Lithium-Ionen-Batterien wird Lithium-Kobalt-Oxid als Kathode verwendet. In den letzten Jahren sind jedoch viele alternative Materialsysteme entwickelt und eingesetzt worden.The positive electrode in the battery is often referred to as the "cathode." Most conventional lithium-ion batteries use lithium cobalt oxide as the cathode. However, in recent years, many alternative material systems have been developed and used.
In den meisten Fällen sind jedoch Lithium und Sauerstoff immer noch ein wesentlicher Bestandteil des Systems. Lediglich das metallische Element Kobalt wird oft ganz oder nur teilweise durch andere metallische Elemente wie Nickel und Mangan ersetzt. Aus diesem Grund kann man bei den meisten Lithium-Ionen-Batterien von einer so genannten Lithium- Metalloxid-Kathode sprechen. Jedoch sind auch Systeme bekannt, die beispielsweise Lithium-Eisenphosphat als Material einsetzen.In most cases, however, lithium and oxygen are still an essential component of the system. Only the metallic element cobalt is often completely or partially replaced by other metallic elements such as nickel and manganese. For this reason, most lithium-ion batteries can be referred to as a so-called lithium metal oxide cathode. However, systems are also known that use lithium iron phosphate as a material, for example.
Lithium-Metalloxide werden als feste Pulver hergestellt. Bei der Auswahl des Pulvers als geeignetes Material für den Einsatz als Kathode in einer Lithium-Ionen-Batterie (LiB) spielen die Mikrostruktur, die Morphologie, die Partikelgröße und der Grad und die Art der möglichen Verunreinigungen im Pulver eine entscheidende Rolle. Diese beeinflussen die elektrochemischen Eigenschaften der Batterie, die anschließend daraus hergestellt wird.Lithium metal oxides are manufactured as solid powders. When selecting the powder as a suitable material for use as a cathode in a lithium-ion battery (LiB), the microstructure, morphology, particle size and the degree and type of possible impurities in the powder play a crucial role. These influence the electrochemical properties of the battery that is subsequently manufactured from it.
Insbesondere die Energiedichte, die z. B. für die Reichweite von Elektrofahrzeugen von großer Bedeutung ist, wird durch die oben genannten Gefügeparameter beeinflusst.In particular, the energy density, which is of great importance for the range of electric vehicles, for example, is influenced by the structural parameters mentioned above.
Die Mikrostruktur der Kathode muss daher genau eingestellt werden. Dies kann zum einen durch die richtige Auswahl der Rohstoffe und zum anderen durch einen kontrollierten Herstellungsprozess von Kathodenpulvern erreicht werden. Wie der Begriff schon sagt, handelt es sich bei einem Lithiummetalloxid um einen Mischkristall aus Lithiumoxid und Oxiden anderer Metalle. Diese Mischkristalle entstehen durch thermische Behandlung einer Mischung der einzelnen Oxide bei hohen Temperaturen, typischerweise zwischen 800-1000 °C unter bestimmten atmosphärischen Bedingungen. Die einzelnen Oxide wiederum werden durch die Zugabe von verschiedenen Rohstoffen zu dem Gemisch bereitgestellt. Die Ausgangsstoffe sind häufig Hydroxide oder Carbonate von Lithium und den jeweils anderen metallischen Elementen.The microstructure of the cathode must therefore be precisely adjusted. This can be achieved by the correct selection of raw materials and by a controlled manufacturing process for cathode powders. As the term suggests, a lithium metal oxide is a mixed crystal of lithium oxide and oxides of other metals. These mixed crystals are created by thermally treating a mixture of the individual oxides at high temperatures, typically between 800-1000 °C under certain atmospheric conditions. The individual oxides are in turn provided by adding different raw materials to the mixture. The starting materials are often hydroxides or carbonates of lithium and the other metallic elements.
Durch Wärmebehandlung dieser Ausgangsstoffe wird bei Temperaturen von 600-800 °C Wasser (H2O) oder Kohlendioxid (CO2) freigesetzt; die restlichen Oxide beteiligen sich später durch weitere Behandlungen an einem Mischkristall.By heat treatment of these starting materials, water (H2O) or carbon dioxide (CO2) is released at temperatures of 600-800 °C; the remaining oxides later participate in a solid solution through further treatments.
Grundsätzlich werden bei der Herstellung der Kathode in einem ersten Schritt verschiedene Oxide aus den jeweiligen Hydroxiden oder Carbonaten der gleichen Elemente gewonnen und dann in einem zweiten Schritt der gewünschte Mischkristall aus diesen Oxiden hergestellt.Basically, in the production of the cathode, in a first step, various oxides are obtained from the respective hydroxides or carbonates of the same elements and then in a second step the desired mixed crystal is produced from these oxides.
Der erste Schritt, bei dem zwei Feststoffe miteinander zu einem dritten Feststoff reagieren und Gase freigesetzt werden, wird als Kalzinierung bezeichnet. Der zweite Schritt wird als Sintern oder Feststoffdiffusion bezeichnet. Die Kalzinierung erfolgt nahezu zeitunabhängig, sobald die für den Beginn der Reaktion erforderlichen Temperaturen und Ausgangsstoffe vorhanden sind. Folglich laufen die ersten Schritte der thermischen Behandlung bei der Herstellung der Kathode relativ schnell ab. Die Diffusionsprozesse zur Bildung der Mischkristalle sind dagegen sehr zeitabhängig und dauern deutlich länger. Im Stand der Technik werden gewöhnlich die beiden Schritte nacheinander in einem Prozess durchgeführt, bei anderen hingegen werden die Kalzinationsprodukte zunächst gekühlt und später in einem separaten thermischen Prozess gesintert.The first step, in which two solids react with each other to form a third solid and gases are released, is called calcination. The second step is called sintering or solid diffusion. Calcination takes place almost independently of time as soon as the temperatures and starting materials required to start the reaction are available. Consequently, the first steps of the thermal treatment in the manufacture of the cathode are relatively quick. The diffusion processes to form the solid solutions, on the other hand, are very time-dependent and take significantly longer. In the state of the art, the two steps are usually carried out one after the other in one process, but in others the calcination products are first cooled and later sintered in a separate thermal process.
Neben den Kosten und der Produktionskapazität auf kleinstem Raum ist auch die Produktqualität einer der Erfolgsfaktoren für Kathodenpulverhersteller. Denn bei gleichem Preis bevorzugen Batteriehersteller natürlich Materialien mit z.B. höherer Energiedichte. Dies lässt sich durch die bestmögliche Ausnutzung der thermodynamischen Einflüsse auf die Kalzinierungs- und Sinterprozesse erreichen.In addition to costs and production capacity in a small space, product quality is also one of the success factors for cathode powder manufacturers. Because, for the same price, battery manufacturers naturally prefer materials with, for example, higher energy density. This can be achieved by making the best possible use of the thermodynamic influences on the calcination and sintering processes.
Durch die im Blockschema dargestellten Stoffströme, Kreislaufschließung, insbesondere die Verwendung von Kondensaten anstelle von reinem VE-Wasser entfällt ein zusätzlicher VE-Wasserbedarf. Anstelle von vielen Abwasserströmen mit unterschiedlichen Konzentrationen ergibt sich nur noch ein einziger Abwasserstrom, welcher sich von 2,5-4 Liter pro kg Produkt (CAM) auf 0 Liter pro kg reduziert. Beispielhaft beträgt die Kosteneinsparung, verglichen mit einem branchenüblichen Wasserbedarf, etwa 3 Liter pro kg Produkt.The material flows shown in the block diagram, the closed loop, and in particular the use of condensates instead of pure demineralized water, eliminate the need for additional demineralized water. Instead of many wastewater flows with different concentrations, there is only one wastewater flow, which is reduced from 2.5-4 liters per kg of product (CAM) to 0 liters per kg. For example, the cost savings compared to the water requirement typical for the industry are around 3 liters per kg of product.
Der große Vorteil zum herkömmlichen Verfahren ist die hohe Konzentration an Lithium, was eine Rückgewinnung erst möglich bzw. wirtschaftlich macht.The big advantage over the conventional process is the high concentration of lithium, which makes recovery possible and economical.
Nur mit der Kreislaufführung und Wiederverwendung des Waschwassers, das Bestandteil der Erfindung ist, kann eine konstante Produktqualität erst ermöglicht werden.Only through the recycling and reuse of the washing water, which is part of the invention, can a consistent product quality be achieved.
Bestandteil der Erfindung ist, dass die Konzentration an Lithium bzw. Lithiumsulfat in der Waschwasservorlage konstant gehalten wird. Dadurch wird der Prozess erst beherrscht. Aus den sich daraus ergebenden, konstanten Prozessbedingungen wird eine konstante Produktqualität erreicht. Dies ist erstmals durch diese Erfindung möglich.Part of the invention is that the concentration of lithium or lithium sulfate in the wash water is kept constant. This is what enables the process to be controlled. The resulting constant process conditions result in a consistent product quality. This is possible for the first time thanks to this invention.
Durch Kreislaufführung des Waschwassers und Vorhandensein von bereits gelöstem Lithium in definierter Konzentration im Waschwasser wird die unerwünschte Rücklösung des Lithiums aus dem Metalloxidgitter vermieden. Der Waschprozess soll lediglich dazu dienen, überschüssiges, nicht im Gitter eingelagertes Lithium herauszuwaschen. Die Probleme sind in bestehenden Anlagen bekannt. Eine Lösung diesbezüglich wurde im Stand der Technik noch nicht gefunden.By circulating the washing water and having already dissolved lithium in a defined concentration in the washing water, the undesirable re-dissolution of lithium from the metal oxide lattice is avoided. The washing process is only intended to wash out excess lithium that is not stored in the lattice. The problems are known in existing systems. A solution to this problem has not yet been found in the state of the art.
Eine Rücklösung der Schwermetalle (Ni, Co, Mn, etc.) ist aufgrund des pH-Bereichs von pH 10-12 nicht zu erwarten. Re-dissolution of heavy metals (Ni, Co, Mn, etc.) is not expected due to the pH range of pH 10-12.
Deshalb finden diese bei der Qualität der Waschwasservorlage keine Berücksichtigung.Therefore, these are not taken into account in the quality of the wash water supply.
Die Konzentration in der Waschwasservorlage ist u.a. begrenzt durch die Löslichkeiten, insbesondere der Löslichkeit von Lithium bzw. Lithiumsalzen. Das Li2SO4 hat mit 342 g/l bei 25°C in Wasser eine gute Löslichkeit. Das ergibt eine maximale Konzentration von 43,18 g/l gelöstes Lithium. Die Konzentration an Lithium wird auch abhängig von Produktqualität, Rezepturen, eingesetzten Vorprodukten, Additiven und weiteren Prozessparametern festgelegt. Bei dem dargestellten Beispiel (Stoffströme im Blockschema) und den entsprechend verwendeten Vorprodukten wird die Konzentration mit 15 g/l Lithium definiert.The concentration in the wash water reservoir is limited by the solubility, in particular the solubility of lithium or lithium salts. Li 2 SO 4 has a good solubility of 342 g/l at 25°C in water. This results in a maximum concentration of 43.18 g/l dissolved lithium. The concentration of lithium is also determined depending on product quality, recipes, precursors used, additives and other process parameters. In the example shown (material flows in the block diagram) and the corresponding precursors used, the concentration is defined as 15 g/l lithium.
Die definierte Konzentration von Lithium in der Waschwasservorlage wird auch unter Berücksichtigung der technischen und wirtschaftlichen Fahrweise der nachfolgenden Prozesse zur Aufbereitung der Lösung und Rückgewinnung der Rohstoffe, insbesondere von Lithium(sulfat), festgelegt.The defined concentration of lithium in the wash water reservoir is also determined taking into account the technical and economic operation of the subsequent processes for the recovery of lithium. processing of the solution and recovery of the raw materials, in particular lithium (sulfate).
Bestandteil der Erfindung ist u.a., dass eine nachfolgende Ultrafiltration zur Abtrennung möglicher Feststoffpartikel zum Einsatz kommt und das Konzentrat dem Behälter, in dem der Waschprozess stattfindet, wieder zugeführt wird. Damit ist garantiert, dass auch durch Ausleitung von Konzentrat keine Verluste an Produkt, Lithium, etc. entstehen und somit keine zusätzlichen Abfallströme geniert werden. Es können auch andere Verfahren der Fest-/Flüssig-Trennung zum Einsatz kommen, wie z.B. durch Sedimentation, Einsatz von Schräg- bzw. Lamellenklärern, Filterpressen oder sonstigen Tiefen- und Oberflächenfiltrationsverfahren. Auch eine Kombination von verschiedenen Verfahren zur Fest-/Flüssigtrennung sind möglich.One of the features of the invention is that a subsequent ultrafiltration is used to separate any solid particles and the concentrate is returned to the container in which the washing process takes place. This guarantees that no losses of product, lithium, etc. occur even when concentrate is discharged and thus no additional waste streams are generated. Other methods of solid/liquid separation can also be used, such as sedimentation, use of inclined or lamella clarifiers, filter presses or other deep and surface filtration methods. A combination of different methods for solid/liquid separation is also possible.
Die Erfindung bezieht sich hauptsächlich auf den Stoffstrom und die Rückführung des Konzentrats in den Prozess. Die Rückführung der feststoffreichen Lösung kann entweder in den Behälter, in dem der Waschprozess stattfindet, erfolgen, oder aber auch dem Vorlagebehälter bzw. direkt in die Feedleitung der Fest-/Flüssigtrennung, im dargestellten Beispiel einer Kammerfilterpresse 32, zugeführt werden.The invention relates mainly to the material flow and the return of the concentrate to the process. The solids-rich solution can be returned either to the container in which the washing process takes place, or to the storage container or directly to the feed line of the solid/liquid separation, in the example shown a
Abhängig davon, welche Lithium-Konzentration in der Waschwasservorlage als sinnvoll bzw. notwendig erachtet wird, kann eine nachfolgende Aufkonzentrierung, z.B. mittels Nanofiltration, erfolgen. Die aus der Nanofiltration generierte lithiumarme Lösung (Filtrat) wird wieder zur Waschwasservorlage zurückgeführt. Die Konzentration an Lithium(sulfat) in der Waschwasservorlage wird durch Ausschleusen der mit Lithium(sulfat) angereicherten Lösung (Konzentrat) konstant gehalten.Depending on which lithium concentration in the wash water reservoir is considered sensible or necessary, a subsequent concentration can be carried out, e.g. by means of nanofiltration. The low-lithium solution (filtrate) generated from the nanofiltration is returned to the wash water reservoir. The concentration of lithium (sulfate) in the wash water reservoir is kept constant by discharging the solution enriched with lithium (sulfate) (concentrate).
Die Stoffströme „Rücklauf Filtertuchreinigung“ , „Filtrat Kammerfilterpresse“ 32, „Filtrat Nanofiltration“ , „Kondensat aus Lithiumhydroxidmonohydrat-Trocknung“ , „Kondensat aus Precursor-Trocknung“, „Kondensat aus Filterkuchentrocknung“ können auch separat gesammelt werden.The material flows “return filter cloth cleaning”, “filtrate chamber filter press” 32, “filtrate nanofiltration”, “condensate from lithium hydroxide monohydrate drying”, “condensate from precursor drying”, “condensate from filter cake drying” can also be collected separately.
Eine Variante der Erfindung sieht eine kaskadierte Zusammenführung der einzelnen Stoffströme vor. Dabei werden die einzelnen Stoffströme abhängig von Reinheit und Volumen der jeweiligen Kaskadenstufe zugeführt. Mit dieser Ausführungsvariante der Waschwasservorlage (47) werden Konzentrationsschwankungen im Wasserzulauf (34) vermieden, was es ermöglicht, den Waschprozess in einem sehr engen Toleranzbereich zu fahren. Das „Kondensat aus der Precursor-Trocknung“ (19) ist so gering, weshalb es eigentlich zu vernachlässigen ist. Doch der Vollständigkeit halber ist dieses in der Erfindung mit aufgenommen, weil es viele unterschiedliche Precursor-Produkte, mit unterschiedlichen Bestandteilen, unterschiedlicher Reinheit und auch unterschiedlichem Wassergehalt gibt.One variant of the invention provides for a cascaded merging of the individual material streams. The individual material streams are fed to the respective cascade stage depending on their purity and volume. With this variant of the wash water reservoir (47), concentration fluctuations in the water inlet (34) are avoided, which makes it possible to run the washing process within a very narrow tolerance range. The "condensate from the precursor drying" (19) is so small that it can actually be ignored. However, for the sake of completeness, this is included in the invention because there are many different precursor products with different components, different purity and also different water content.
Bestandteil der Erfindung ist, dass die lithium(sulfat)reiche Lösung (Konzentrat) aus der Nanofiltration einer Diffusionsdialyse zugeführt wird, wobei die lithiumhaltige Lösung in der Waschwasservorlage auch durch direkte Entnahme und Zuführung zur Diffusionsdialyse, ohne zuvor aufzukonzentrieren bzw. ohne vorige Nanofiltration, möglich ist.Part of the invention is that the lithium (sulfate)-rich solution (concentrate) from the nanofiltration is fed to a diffusion dialysis, whereby the lithium-containing solution in the wash water reservoir can also be removed directly and fed to the diffusion dialysis without prior concentration or without prior nanofiltration.
Dabei wird bevorzugt eine semipermeable Anionenaustauschermembran verwendet (Säurediffusionsdialyse). Diese Membrane lässt die H+- und die SO4 2--Ionen diffundieren und die Lithiumionen werden zurückgehalten. Dadurch gewinnt man im Diffusat Schwefelsäure, die anderweitige Verwendung als Rohstoff findet. Im Dialysat gewinnen wir LiOH*xH2O zurück. Dieses LiOH*xH2O kann direkt mit dem eingekauften LiOH*1H2O vermischt werden und mit diesem im Produktionsprozess weiterverarbeitet werden. Der höhere Wasseranteil sollte nicht stören, weil sowieso nachfolgend ein Trocknungsprozess stattfindet. Sollte der höhere Wasseranteil bei dem Vermischen (Blending) jedoch Probleme bereiten, dann kann auch vorgelagert noch eine Entwässerung (63) vorgesehen werden.A semi-permeable anion exchange membrane is preferably used (acid diffusion dialysis). This membrane allows the H + and SO 4 2- ions to diffuse and the lithium ions are retained. This means that sulfuric acid is recovered in the diffusate, which is used as a raw material elsewhere. We recover LiOH*xH2O in the dialysate. This LiOH*xH2O can be mixed directly with the purchased LiOH*1H 2 O and used in the production process. The higher water content should not be a problem because a drying process takes place afterwards anyway. However, if the higher water content causes problems during blending, dewatering (63) can also be provided upstream.
Ein weiterer Bestandteil der Erfindung ist, dass das für die Diffusionsdialyse benötigte VE-Wasser durch das Kondensatwasser („Kondensat aus Lithiumhydroxidmonohydrat-Trocknung“ und/oder „Kondensat aus Precursor-Trocknung“) aus der Produktion ersetzt wird und somit kein weiterer Bedarf an VE-Wasser erforderlich wird. Das für die Diffusionsdialyse erforderliche (VE-)Wasser kann auch nur anteilig durch Kondensatwasser ersetzt bzw. gemischt werden.A further component of the invention is that the demineralized water required for diffusion dialysis is replaced by the condensate water (“condensate from lithium hydroxide monohydrate drying” and/or “condensate from precursor drying”) from production and thus no further need for demineralized water is required. The (demineralized) water required for diffusion dialysis can also be replaced or mixed with condensate water only in part.
Bezugnehmend auf die
-
1 : Ein Blockfließbild der Stoffströme in einem CAM-Prozess gemäß der Erfindung; -
2 : Ein Blockfließbild der Stoffströme in einem CAM-Prozess gemäß Stand der Technik; -
3 : die Kaskadierung, wobei diestoffströme mit der niedrigsten Li- 15, 19Konzentration und 64 sind am hintersten Ende der Kaskade,gefolgt von Stoffstrom 46,dann 54 und zuletzt folgen dieStoffströme 40 und 42 inden Vorlagebehälter 47;
-
1 : A block flow diagram of the material flows in a CAM process according to the invention; -
2 : A block flow diagram of the material flows in a CAM process according to the state of the art; -
3 : the cascading, where the streams with the 15, 19 and 64 are at the rear end of the cascade, followed bylowest Li concentration stream 46, then 54 and finally streams 40 and 42 follow in thefeed tank 47;
Bezugszeichenlistelist of reference symbols
- 11
- Vorlage lithiumhaltiges Vorprodukttemplate lithium-containing precursor
- 33
- Vorlage Vorprodukt Metalloxidgemisch (Precursor)Template Precursor Metal Oxide Mixture
- 55
- Zugabe Li-Vorproduktaddition of Li precursor
- 77
- Zugabe Precursoraddition precursor
- 99
- Entwässern/Trocknung Li-VorproduktDewatering/drying Li precursor
- 1111
- Entwässern/Trocknung PrecursorDewatering/Drying Precursor
- 1313
- Wasserfreies LithiumoxidAnhydrous lithium oxide
- 1515
- Kondensat aus Trocknung Li-haltiges VorproduktCondensate from drying Li-containing precursor
- 1717
- Wasserfreies MetalloxidgemischAnhydrous metal oxide mixture
- 1919
- Kondensat aus Precursor-Trocknungcondensate from precursor drying
- 2121
- Mischbehältermixing container
- 2222
- Vorlage Additivetemplate additives
- 2424
- Generierung Me-Oxidgitter u. Li-EinlagerungGeneration of Me oxide lattice and Li intercalation
- 2626
- Zufuhr CAM-Produkt in Waschprozesssupply of CAM product in washing process
- 2828
- Waschbehälter CAM-Produktwashing container CAM product
- 3030
- Feed Kammerfilterpresse aus WaschprozessFeed chamber filter press from washing process
- 3232
- Einrichtung zur Fest-/Flüssigtrennung (Bsp. Kammerfilterpresse)device for solid/liquid separation (e.g. chamber filter press)
- 3434
- Wasserzulauf in Waschprozesswater inlet in washing process
- 3636
- Zulauf Konzentrat aus UF in Sammelbehälter KonzentratInflow concentrate from UF into collection tank concentrate
- 3737
- Sammelbehälter Konzentrat38 - Zulauf Filtertuchreinigung (Clothwash)Concentrate collection container38 - Filter cloth cleaning inlet (Clothwash)
- 3939
- Zulauf Konzentrat in Waschprozessinflow concentrate in washing process
- 4040
- Rücklauf Filtertuchreinigung (Clothwash)return filter cloth cleaning (Clothwash)
- 4242
- Filtrat Kammerfilterpressefiltrate chamber filter press
- 4343
- Zulauf Kondensatwasser in WaschwasservorlageInlet condensate water in wash water reservoir
- 4444
- CAM-Produkt (Bsp. Filterkuchen) zur TrocknungCAM product (e.g. filter cake) for drying
- 4545
- Trocknung Feststoff (Bsp. Filterkuchen)drying of solids (e.g. filter cake)
- 4646
- Kondensat aus Trocknung FilterkuchenCondensate from drying filter cake
- 4747
- Vorlagebehälter Waschwasser (Bsp. 5fach-Kaskade)wash water storage tank (e.g. 5-way cascade)
- 4848
- Feed Feststofffilter (Bsp. Ultrafiltration)feed solids filter (e.g. ultrafiltration)
- 4949
- Feststofffilter (Bsp. Ultrafiltration)solid filter (e.g. ultrafiltration)
- 5050
- Ablauf feststofffreie Lösungsolid-free solution
- 5151
- Filtratsammelbehälterfiltrate collection tank
- 5252
- Feed (Bsp. Nanofiltration)feed (e.g. nanofiltration)
- 5353
- Einheit zur Aufkonzentrierung (Bsp. Nanofiltration)concentration unit (e.g. nanofiltration)
- 5454
- Lithium(sulfat)arme Lösung aus Aufkonzentrierungseinheit (Bsp. NF-Filtrat)Lithium (sulfate)-poor solution from concentration unit (e.g. NF filtrate)
- 5555
- Sammelbehälter Kondensatcondensate collection tank
- 5656
- Lithium(sulfat)reiche Lösung aus Aufkonzentrierungseinheit (Bsp. NF-Konzentrat)Lithium (sulfate)-rich solution from concentration unit (e.g. NF concentrate)
- 5757
- Wasserzulauf (Bsp. Diffusionsdialyse)water inlet (e.g. diffusion dialysis)
- 5858
- Sulfatreicher Stoffstromsulfate-rich material flow
- 5959
- Schwefelsäuresulfuric acid
- 6060
- Lithiumreicher Stoffstromlithium-rich material flow
- 6161
- Membrantrennverfahren (Bsp. Diffusionsdialyse)membrane separation processes (e.g. diffusion dialysis)
- 6262
- Zulauf rückgewonnenes LiOH*xH2Ofeed recovered LiOH*xH2O
- 6363
- EntwässernDrain
- 6464
- Kondensatablauf aus Trocknung rückgewonnenes LiOH*xH2OCondensate drain from drying recovered LiOH*xH2O
- 6666
- Zulauf Sedimentationinflow sedimentation
- 6868
- Ablauf Sedimentation, feststoffarmSedimentation process, low in solids
- 7070
- Ablauf Sedimentation, feststoffreichSedimentation process, rich in solids
- 7272
- Feststofffreie bzw. feststoffarme Lösung aus FeststofffilterSolid-free or low-solids solution from solid filter
- 7474
- Feststoffreiche Lösung aus FeststofffilterSolid-rich solution from solid filter
Beschreibung des Verfahrens:Description of the procedure:
Kondensate 15, 19 aus den Trocknungsprozessen des Li-Vorprodukts 1 und des Metalloxidgemischs 3 werden in einem Behälter 47 gesammelt und als Vorlage für den Waschprozess (wieder)verwendet. Dabei kommt der überwiegende Anteil des Kondensats aus der Trocknung des Lithiumhydroxidmonohydrats. Ein geringer Anteil entstammt der Trocknung der vorzugsweise Metallhydroxide.
Nach der Herstellung der Li-Metalloxide bzw. der gemischten Li-Metalloxide wird das Reaktionsprodukt gewaschen und filtriert. Das Filtrieren erfolgt vorzugsweise in einer Kammerfilterpresse 32 über ein Filtertuch, wobei auch alle anderen, dem Fachmann bekannten Filterverfahren ebenso eingesetzt werden können. Für die Filtertuchreinigung (sog. Cloth-Wash) wird das Filtrat von der Kammerfilterpresse verwendet. Dadurch wird eine Rücklösung von Lithium an der Grenzfläche Filtertuch/CAM-Produkt verhindert bzw. vermindert.After the Li metal oxides or the mixed Li metal oxides have been produced, the reaction product is washed and filtered. Filtration is preferably carried out in a
Die Wasserströme der Kondensate, dem Filtrat aus der Kammerfilterpresse und dem Rücklauf-Spülwasser aus dem Cloth-Wash werden in einem Vorlagebehälter gesammelt.The water flows of the condensates, the filtrate from the chamber filter press and the return rinse water from the cloth wash are collected in a storage tank.
Das Filtrat der Kammerfilterpresse wird zu Beginn im Kreislauf geführt, um zu verhindern, dass bei Beginn (Aufbau des Filterkuchens, Trübungslauf) mit Feststoff verunreinigtes Filtrat in die Waschwasservorlage gelangt. Die Umschaltung auf den Waschwasser-Vorlagebehälter kann auch mittels Sensorik (Trübung) überwacht und gesteuert werden.The filtrate from the chamber filter press is initially circulated to prevent filtrate contaminated with solids from entering the wash water reservoir at the beginning (build-up of the filter cake, turbidity run). The switchover to the wash water reservoir can also be carried out using Sensor technology (turbidity) can be monitored and controlled.
Die Konzentration an Lithium, Sulfat, etc. in der Waschwasservorlage wird nahezu konstant gehalten. Erwartungsgemäß wird die Konzentration an Lithium sich bei 20-25 g/l einstellen. Dieser Konzentrationsbereich von Lithium wirkt sich positiv auf den Waschprozess aus, weil dadurch die unerwünschte Rücklösung von Lithium deutlich vermindert wird. Idealerweise sollte sich ein Wert von etwa 23 g/L einstellen.The concentration of lithium, sulfate, etc. in the wash water is kept almost constant. The lithium concentration is expected to be 20-25 g/l. This lithium concentration range has a positive effect on the washing process because it significantly reduces the undesirable re-dissolution of lithium. Ideally, the value should be around 23 g/l.
Eine nachfolgende Aufbereitung und Rückgewinnung von Lithium werden durch die hohe Konzentration an Lithium in der Vorlage 47 begünstigt.Subsequent processing and recovery of lithium are facilitated by the high concentration of lithium in the
Die weitere Aufkonzentrierung des erhaltenen Lithiumsulfats kann bevorzugt mittels Nanofiltration oder Diffusionsdialyse erfolgen. Auch eine Kombination von Nanofiltration und Diffusionsdialyse ist möglich.The further concentration of the resulting lithium sulfate can preferably be carried out by means of nanofiltration or diffusion dialysis. A combination of nanofiltration and diffusion dialysis is also possible.
Zur Vermeidung einer Belastung der Nanofiltration bzw. Diffusionsdialyse mit Feststoffpartikeln wird ein Filter zur Feststoffabscheidung vorgelagert. Diese Feststoffabscheidung können sowohl eine Mikro- und/oder Ultrafiltration als auch andere Feststofftrennverfahren umfassen.To avoid loading the nanofiltration or diffusion dialysis with solid particles, a filter is installed upstream to separate the solids. This solids separation can include micro- and/or ultrafiltration as well as other solids separation processes.
Die Weitere Aufbereitung des Lithiumsulfats zur Gewinnung von Lithiumoxidmonohydrat kann z.B., wie in
Das Konzentrat aus der Mikro- bzw. Ultrafiltration kann vorzugsweise in nachfolgenden Schritten, z.B. mittels Lamellenklärer oder einfach nur in einem Eindicker und nachfolgender Kammerfilterpresse oder auch Dekanter weiter aufkonzentriert werden. Der Filterkuchen kann mittels Blending (OffSpec mit Produkt vermischen) als Produkt gemäß Kundenspezifikation abgegeben werden. Bevorzugt kann auch das Konzentrat aus der Ultrafiltration direkt im Behälter, in dem der Waschprozess stattfindet, zugegeben werden.The concentrate from micro- or ultrafiltration can preferably be further concentrated in subsequent steps, e.g. using a lamella clarifier or simply in a thickener and subsequent chamber filter press or decanter. The filter cake can be delivered as a product according to customer specifications by blending (mixing off-spec with product). Preferably, the concentrate from ultrafiltration can also be added directly to the container in which the washing process takes place.
Die Ausführung kann auch stufenweise erfolgen. Da die noch verbleibende Restmenge im Volumen sehr gering ist, kann die Rückgewinnung von Lithium bzw. Lithiumhydroxidmonohydrat auch extern erfolgen.The process can also be carried out in stages. Since the remaining amount in volume is very small, the recovery of lithium or lithium hydroxide monohydrate can also be carried out externally.
Das Verfahren, insbesondere die Stoffströme sind die eigentliche Erfindung, welche eine Kreislaufschließung ermöglicht und praktisch keine Verluste entstehen. Ein Bedarf an zusätzlichen Ressourcen, wie VE-Wasser, Rohstoffe und Chemikalien zur pH-Korrektur ist nicht erforderlich.The process, in particular the material flows, is the actual invention, which enables a closed loop and practically no losses occur. There is no need for additional resources such as deionized water, raw materials and chemicals for pH correction.
Die Rezeptur und eingesetzte Vorprodukte können von der dargestellten Variante abweichen. Die Additive, wie auch die Vorprodukte variieren je nach Kundenanforderungen.The recipe and precursors used may differ from the variant shown. The additives and precursors vary depending on customer requirements.
Die Erfindung bringt folgende Vorteile mit sich:
- • Konstante Produktqualität
- • Beherrschter Prozess (Sensibilität des Waschprozesses nach aktuellem Stand der Technik ist nicht mehr gegeben).
- • Gemäß den Preisen aus dem Jahr 2022 für Rohstoffe, etc. wird gegenüber dem Stand der Technik eine Einsparung von etwa 2.000 € pro Tonne CAM-Produkt erzielt.
- • Consistent product quality
- • Controlled process (sensitivity of the washing process according to the current state of the art is no longer given).
- • Based on 2022 prices for raw materials, etc., savings of around €2,000 per ton of CAM product will be achieved compared to the state of the art.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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