网络首发||张俊丰教授：锂云母矿废渣资源化技术研究进展
文摘
科学
2024-07-11 10:11
浙江
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锂云母作为提取锂的重要矿物原料，不仅用于提取锂，还可以作为生产玻璃的主要原料，以及用于制造高性能陶瓷纤维布。在电池制造领域，锂云母中提取的碳酸锂可以用作锂离子电池正极材料，能有效提升电池性能。然而从锂原矿到云母锂精矿再到碳酸锂的分选及生产过程中会产生大量的云母锂矿废渣。对于锂云母废渣的处理需要从低效、低值、分散利用向高效、高值、规模利用转变，锂云母矿废渣综合利用主要可以通过高值元素提取、建材化利用和绿色回填的方式进行。目前锂云母矿废渣综合利用技术已经具备了一定的研究基础，综合利用产物种类多样各具优势，但处于实验室研究阶段，规模化产业化应用仍面临挑战。本综述系统梳理了高值元素提取、建材化利用和绿色回填三大资源化途径，包括利用酸法、焙烧法、压煮法等提取高值元素，利用废渣作为建筑材料的原料或掺和配料，锂矿废渣与胶凝材料制备绿色填充材料。在此基础上总结了锂云母矿渣实现高值化应用的问题与挑战，并提出相应策略，为推动锂云母矿废渣合理处置提供技术参考。
张俊丰，湘潭大学环境与资源学院教授、博士生导师、注册环保工程师、注册环境影响评价师，湖南省铅锂电池资源高效循环利用工程技术研究中心主任。聚焦城市矿产回收领域，2006年至2022年从事废铅蓄电池资源循环技术装备研发及产业化应用，目前主要开展废锂离子电池回收和锰基电源材料绿色制造新技术研究及应用。获湖南省专利3等奖2项。主持完成国家重点研发计划专项课题1项、国家自然科学基金面上项目1项、湖南省科技重大专项1项、湖南省战略新兴产业科技攻关项目1项、湖南省高新技术引领科技项目1项。目前在研国家自然科学基金面上项目1项，湘潭电化委托项目1项。近5年发表SCI论文14篇、中文核心期刊论文6篇，授权发明专利21项，授权美国专利1项。
彭川，湘潭大学环境与资源学院副教授，硕士生导师，湖南大学与德国Fraunhofer UMSICHT联合培养博士、中国科学院深圳先进技术研究院博士后。主要从事矿渣高值化利用、热化学转化在生物质能源领域的应用，先后参与多项国家、省部级研究项目。在Fuel、Energy、Journal of Cleaner Production、ACS Sustainable Chemistry & Engineering、Waste management等国际著名SCI期刊上发表论文30余篇。ESI高被引论文作者，单篇最高被引量308次，授权专利4项。
1. 郴州国家可持续发展议程创新示范区建设专项（2022sfq58）
2. 国家自然科学基金资助项目（52070159）
锂云母是一种重要的含锂矿物资源，在其开采利用过程中会产生大量的废石和尾矿，达到150～200t/t碳酸锂，其中的金属元素在废渣堆放、浸出和渗滤过程中，可能会进入地下水、土壤和大气环境，对生态系统和人居环境健康造成危害。因此，对这些固体废物进行安全处置与资源化利用是云母锂开发利用所必要的保障。然而，当前对锂云母废渣的处理主要存在一些问题，包括低效率、低价值和分散利用。此外，不同地区的锂云母废渣性质存在较大差异，综合利用率较低，无法达到减污降碳和保障生态环境的现实要求。基于此，介绍了当前锂云母矿废渣资源化主要技术，梳理了高值元素提取、建材化利用和绿色回填等三大处理途径，主要通过酸法、焙烧法、压煮法等破坏锂云母的稳定结构，将其中的活性金属暴露出来，以达到提取高值元素的效果。废渣中的石英和长石组分具备建筑材料原料或掺和配料的特性，可用于制备水泥、混凝土、陶瓷和地聚合物等建筑材料。结合锂矿废渣与胶凝材料制备绿色填充材料的作用机制，提高其力学性能以及流动性。并对锂云母矿渣实现高值化应用进行了展望，以期推动锂云母矿废渣资源化技术的广泛应用和产业化发展。随着新能源汽车和储能市场的持续扩大，锂电池行业将继续保持增长势头，其中最为关键的元素锂可从原生料和再生料中获取。再生料主要通过退役锂电及循环再生的方式获取，原生料则主要来源于盐湖卤水、锂辉石和锂云母。锂云母作为提取锂的重要矿物原料，主要成分为KLi1.5Al1.5(AlSi3O10)(F, OH)2，属于钾和锂的基性铝硅酸盐。锂云母不仅可以用于提取锂，还可以作为生产玻璃的主要原料，以及用于制造高性能陶瓷纤维布。在电池制造领域，锂云母中提取的碳酸锂可以用作锂离子电池正极材料，能有效提升电池性能。然而从锂原矿到云母锂精矿再到碳酸锂的分选及生产过程中会产生大量的云母锂矿废渣，如何解决大宗废渣处理问题是锂电产业可持续发展的关键。从锂云母原矿到锂云母精矿通常要经过“浮-重-磁”联合工艺，氧化锂品位可从0.2%提升至3.0%。在该过程中，一般原矿与精矿的产出比为10/1，生产1t锂云母精矿会产生9~10t锂云母矿废渣。此外，150~200t原矿才能产出1t碳酸锂，以宜春为例，到2025年碳酸锂计划产量为50万t，届时将产生约7500万~10000万t锂矿废渣。其中所含钾、锂、铷、铯、铍等有价元素主要伴生在矿物当中，这些元素在废渣堆放、浸出和渗滤过程中，有可能进入地下水、土壤和大气环境，对生态系统和人居环境健康造成潜在风险。以往对于锂矿废渣主要以尾矿的形式进行堆存处理，不仅对周边环境带来潜在安全风险，还造成了锂矿废渣中有价资源的浪费。在当前“双碳”目标下，对于锂云母废渣的处理需要从低效、低值、分散利用向高效、高值、规模利用转变，如图1所示，锂云母矿废渣综合利用主要可以通过高值元素提取、建材化利用和绿色回填的方式进行。通过合理构建绿色化学工艺提取锂云母矿废渣中的高值元素可避免矿产资源的浪费，提高锂矿资源的利用率。由于锂云母废渣含有丰富的活性SiO2，在高值元素提取完成后可进行建材化应用，如制备特种水泥、陶粒、发泡陶瓷、微晶玻璃等。此外，对于锂矿资源开采带来的采空区围岩变形破坏问题，可直接利用云母锂矿废渣制备胶结材料对采空区进行绿色回填，既能防止地表地质灾害的发生，又对云母锂矿废渣进行了大宗消纳。本文从云母锂矿废渣高消纳绿色循环利用这一迫切需求出发，针对云母锂的资源化技术研究现状进行探讨，对未来云母锂矿废渣的高值化利用提出了展望，可有效推动云母锂矿废渣的进一步综合利用。![]()
图1 锂云母矿废渣资源化途径
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图2 锂矿废渣矿物组分（a）江西宜春[7]，（b）湖南临武
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图3 环境友好型氯化焙烧过程[24]
彭川, 胡学军, 赵晶, 余晓龙, 张俊丰. 锂云母矿废渣资源化技术研究进展[J/OL]. 能源环境保护: 1-12[2024-07-04]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240614.PENG Chuan, HU Xuejun, ZHAO Jing, YU Xiaolong, ZHANG Junfeng. Advances in resourceful recycling technology of lepidolite tailings[J/OL]. Energy Environmental Protection: 1-12[2024-07-04]. https://doi.org/10.20078/j.eep.20240614.
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编辑｜姚情璐
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