本發(fā)明涉及一種鎂鋰離子的分離裝置及其分離方法。

背景技術(shù)：

鋰及其化合物的應(yīng)用已經(jīng)從玻璃、陶瓷、有色冶金、空調(diào)、醫(yī)藥、潤滑劑、焊接材料等傳統(tǒng)行業(yè)發(fā)展到鋰離子電池、國防等高新技術(shù)領(lǐng)域。近年來，信息技術(shù)迅猛發(fā)展，其中鋰離子電池成為發(fā)展最為迅速的新興產(chǎn)業(yè)，成為21世紀(jì)的能源材料，被稱為推動世界前進(jìn)的重要元素。海洋中所蘊(yùn)含的鋰儲量大概在2×10⁶ Mt, 但是海水中的鋰濃度非常低（0.17mg dm^-3）,從海水中提取鋰的成本是從含鋰礦石以及鹽湖中提取成本的10-30倍。目前，鹽湖鹵水提鋰已經(jīng)成為鋰鹽產(chǎn)品生產(chǎn)的主要方式，80%的鋰產(chǎn)品來自鹽湖提鋰。國內(nèi)外各種鹵水鋰資源開發(fā)方式基本上都是對其有價(jià)值組分進(jìn)行綜合提取，而不僅僅是單純提鋰。雖然原始鹽湖鹵水中鋰的濃度較低，但隨著鹵水中鉀、硼等礦物的提取，所排出尾液中鋰得到富集，有利于鋰的提取。國內(nèi)外鹽湖鹵水鎂鋰分離的技術(shù)方法很多，主要有碳化法、鹽析法、沉淀法、煅燒浸出法、無機(jī)吸附劑法、膜法、萃取法、離子交換吸附法、電滲析法等。

碳化法在pH值大于12時(shí)，用石灰沉淀鎂離子，再通入二氧化碳使溶液保持中性或弱堿性，避免碳酸鋰沉淀生成，使得鎂鋰分離。此法工藝簡單，充分利用太陽能和自然資源，污染小，效益高。

鹽析法利用自然蒸發(fā)的相分離手段，使鹵水中的鎂鋰獲得分離。因?yàn)樘妓徜嚨娜芙舛却笥谔妓徭V，故鎂離子析出時(shí)，鋰離子可得到富集，實(shí)現(xiàn)鎂鋰初步分離。后續(xù)用苛性堿（氫氧化鈉, 氫氧化鉀等）控制pH與殘余鎂離子反應(yīng)，生成氫氧化鎂，獲得的富鋰鹵水用碳酸鹽沉鋰，從而獲得工業(yè)級碳酸鋰產(chǎn)品。

沉淀法通過對自然蒸發(fā)濃縮后的鹵水進(jìn)行脫硼、除鈣、除鎂等工序，得到富鋰的鹵水，再通過適當(dāng)?shù)某恋韯┗螓}析劑沉淀回收鋰鹽。沉淀法的優(yōu)勢在于操作簡單以及低成本主要用于鎂鋰比較低的鹽湖，但是目前傳統(tǒng)的沉淀法會在溶液中引入鈉離子以及銨離子，這兩種離子的引入對于后續(xù)的含鋰化學(xué)品的純化帶來很大的難度同時(shí)會造成一些環(huán)境問題。

煅燒浸出法的原理是將鹽湖鹵水蒸干，使鎂以水氯鎂石礦，鋰以硫酸鋰或者氯化鋰形式，與少量其他鹽混合析出。含鋰浸取水用于碳酸鹽沉鋰，氧化鎂渣經(jīng)過精制后得到氧化鎂副產(chǎn)品，其純度可達(dá)到98.5%，氯化氫氣體可用于制備鹽酸。目前此法并沒有得到大規(guī)模的應(yīng)用，主要是污染大，耗能多，效率又較低。

無機(jī)吸附劑法主要是依靠無定形氫氧化物吸附劑自由表面的羥基來集合陽離子，典型的代表是鋁的氧化物，其吸附性能與鋰離子的濃度有關(guān)，鋰濃度越高，吸附性越強(qiáng)。該類型的吸附劑對鋰離子的沉淀率可達(dá)95%以上，通過焙燒浸取以后，鋁型吸附劑可以循環(huán)使用，對于從高鎂鋰比的鹽湖鹵水中提鋰具有較實(shí)際的意義。

膜法是一種用納濾膜來分離鹵水的方法，該法可以直接對鹽湖鹵水進(jìn)行處理，無需先通過鹽田工藝沉積出石鹽和光鹵石。將原料鹵水打入納濾器，在膜兩側(cè)施加壓力，使得大部分的鋰離子和水通過膜遷移到低壓側(cè)，得到富鋰鹵水，高壓側(cè)則為貧鋰的鹵水?？梢圆捎枚嗉壖{濾，并將下一級的貧鋰鹵水返回上一級納濾器處理以充分利用。鎂鋰比可由原鹵水的幾十比一降低到幾比一。

萃取法是利用不同溶劑中鋰離子的溶解度差異，將鹵水中的鋰離子萃入到有機(jī)相，再通過反萃取實(shí)現(xiàn)鋰的分離富集，但各鹽湖鹵水組成復(fù)雜，差別較大，同時(shí)有機(jī)相的引入會造成溶液的二次污染，且該方法流程復(fù)雜，腐蝕設(shè)備，成本較高，實(shí)現(xiàn)工業(yè)化還需進(jìn)一步探索。

離子交換吸附法是利用對鋰離子具有選擇性吸附的有機(jī)或無機(jī)吸附劑從鹵水中吸附鋰離子，然后再用脫附劑進(jìn)行洗脫，從而使鋰離子與其他離子分離。離子交換法的關(guān)鍵技術(shù)是能研制出具有優(yōu)良選擇性的吸附劑，并且該吸附劑在吸附-洗脫過程中需要保持性能穩(wěn)定、強(qiáng)度達(dá)標(biāo)、容易成型、能適用于大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)。

電滲析法是一項(xiàng)新型分離技術(shù)，其分離原理是在外加直流電場的作用下，利用液態(tài)或固態(tài)離子交換膜對水中離子的選擇性，使一部分離子透過交換膜轉(zhuǎn)移到另一側(cè)水中，從而實(shí)現(xiàn)分離鎂鋰的目的。但該方法過程復(fù)雜， 徐經(jīng)過多次連續(xù)循環(huán)工藝。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)納濾法操作壓強(qiáng)高，納濾分離膜制備昂貴等技術(shù)問題，提出一種能夠高效分離鎂離子（Mg²⁺）和鋰離子(Li⁺)的膜裝置，該裝置只需要百微米級孔徑要求，減少操作壓力和制造難度，從而降低了分離成本并有助于產(chǎn)業(yè)推廣。

本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種基于上述分離裝置的鎂鋰離子的分離方法。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是包括有分離膜，該分離膜上設(shè)置有多道相互取向一致的微米通道，該微米通道的直徑為10-100um，所述的分離膜的一側(cè)設(shè)置有與微米通道的入口端相通的原液區(qū)，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)，所述的微米通道的內(nèi)壁上設(shè)置有一段陰離子交換膜, 該陰離子交換膜的外表面與微米通道的內(nèi)腔相連通，該分離膜相對于陰離子交換膜的內(nèi)表面內(nèi)側(cè)連通設(shè)置有緩沖液通道，所述的分離膜的相對于原液區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第一電極(V₁)，分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極(V₂)，該第一電極和第二電極用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道方向驅(qū)動所需分離的離子從分離區(qū)向原液區(qū)運(yùn)動的第一場強(qiáng)，所述的陰離子交換膜上設(shè)置有第三電極(V₃)，該第三電極的電勢根據(jù)具體的待分離離子獨(dú)立可調(diào)設(shè)置。

進(jìn)一步設(shè)置是所述的第三電極外連接有用于調(diào)節(jié)第三電極電勢的可調(diào)電壓源。

進(jìn)一步設(shè)置是含有待分離的相對高價(jià)的Mg²⁺和相對低價(jià)的Li⁺的原液置于原液區(qū)，對原液區(qū)的原液施加一個(gè)從原液區(qū)向分離區(qū)方向的壓力，通過調(diào)節(jié)第三電極的電勢，使得Mg²⁺在微米通道中受到的場強(qiáng)力大于水流力并使得Mg²⁺留于原液區(qū)，Li⁺在微米通道中受到的場強(qiáng)力小于介質(zhì)壓力并使得Li⁺從微米通道進(jìn)入到分離區(qū)，從而使得Mg²⁺和Li⁺相互分離。

本發(fā)明的工作原理和優(yōu)點(diǎn)是：

分離膜表面通過微米加工，刻蝕出無數(shù)多個(gè)微米通道，并在微米通道中央交替有規(guī)律的嵌入陰離子交換膜，并在陰離子交換膜表面嵌入電極并施加電壓，陰離子交換膜連接著一個(gè)充滿緩沖池用來中和進(jìn)入陰離子交換膜的陰離子C^-，由于系統(tǒng)的電中性保持，電離出D⁺離子。分離膜左端出口連接著Mg²⁺收集池，通道右端則連接著Li⁺離子的收集池。并在分離膜的兩端應(yīng)用一個(gè)直流電場（E），方向垂直的指向左方（如圖所示）。

接通電源，使得保證這三個(gè)電極的電勢關(guān)系V₂ > V₃ > V₁，施加外部壓力，驅(qū)動原液運(yùn)動，進(jìn)而帶動不同價(jià)態(tài)的離子運(yùn)動。

通常，離子在溶液中的受力由電場力和水流的粘性力決定。這里，本發(fā)明施加了一個(gè)直流電場（E），其方向?yàn)閺挠蚁蜃?，如圖所示，故而相對較低的Li⁺受到一個(gè)向左的電場力。在外部壓力的作用下（壓力從左往右），當(dāng)壓力足夠大時(shí)，相對較低的Li⁺受到的電場力小于水流力，此時(shí)Li⁺則隨著水流向右流動。

鎂離子（Mg²⁺）也受到向右的水流力，為了保證Mg²⁺不能通過本發(fā)明的離子分離膜，而相對較低的鋰Li⁺可以通過分離膜，因此本發(fā)明在離子分離膜設(shè)計(jì)中，在微通道中央嵌入陰離子交換膜。在外電場（E）和陰離子交換膜表面的電壓下的作用下，陰離子交換膜表面附近形成極端不均的離子濃度分布，即發(fā)生了離子的濃度極化現(xiàn)象。在膜表面的電場得到了放大（較之，直流電場E，在膜表面的電場強(qiáng)度可以放大到高達(dá)10倍，方向仍然和外電場一樣。這是通過改變陰離子交換膜外側(cè)電極的電勢提高離子交換膜表面溶液的濃度極化的程度進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了離子交換膜表面電場的放大），在不施加外部壓強(qiáng)的條件下，Mg²⁺和Li⁺由于電場力的作用都不能穿越濃度極化區(qū)。在外部壓強(qiáng)作用下，壓力造成的水流會對Mg²⁺和Li⁺形成粘滯拽力。 當(dāng)水流拽力（正比于水流速度）大于Li⁺所受的電場力同時(shí)小于Mg²⁺所受的電場力時(shí)，Li⁺跨越離子交換膜區(qū)域，隨水流出本發(fā)明離子分離膜,進(jìn)入Li⁺收集池。同時(shí)因?yàn)樗髁Σ蛔阋钥朔﨧g²⁺所受電，所以Mg²⁺被阻擋在陰離子交換膜的上游或者本發(fā)明分離膜的的左端，即Mg²⁺收集池。從而實(shí)現(xiàn)不同價(jià)態(tài)的陽/陰離子分離。

下面結(jié)合說明書附圖和具體實(shí)施方式對本發(fā)明做進(jìn)一步介紹。

附圖說明

圖1 本發(fā)明具體實(shí)施方式結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面通過實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行具體的描述，只用于對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步說明，不能理解為對本發(fā)明保護(hù)范圍的限定，該領(lǐng)域的技術(shù)工程師可根據(jù)上述發(fā)明的內(nèi)容對本發(fā)明作出一些非本質(zhì)的改進(jìn)和調(diào)整。

如圖1所示，本發(fā)明的Mg²⁺和Li⁺的設(shè)備主要在于分離膜的設(shè)計(jì)。在此，顯示分離膜的放大圖。如圖所示，分離膜1表面通過微米加工，刻蝕出無數(shù)多個(gè)微米通道11（通道尺寸可以控制在10um到100um之間，因?yàn)橥ǖ缐毫εc孔徑的-4次方成正比，較之傳統(tǒng)的納濾膜分離技術(shù)，孔徑放大10³-10⁴倍理論上可以降低操作壓力10¹²--10¹⁶量級）。

本實(shí)施例所述的分離膜1的一側(cè)設(shè)置有與微米通道11的入口端相通的原液區(qū)12，該分離膜的另一側(cè)設(shè)置有與微米通道的出口端相連的分離區(qū)13，所述的微米通道11的內(nèi)壁上設(shè)置有一段陰離子交換膜2，該陰離子交換膜2的外表面與微米通道11的內(nèi)腔相連通，該分離膜1相對于陰離子交換膜2的內(nèi)表面內(nèi)側(cè)連通設(shè)置有緩沖液通道14，所述的分離膜1的相對于原液區(qū)12的一側(cè)設(shè)置有第一電極15，分離膜的相對于分離區(qū)的一側(cè)設(shè)置有第二電極16，該第一電極15和第二電極16用于產(chǎn)生覆蓋于微米通道場強(qiáng)方向從分離區(qū)向原液區(qū)的第一場強(qiáng)E，所述的陰離子交換膜2上設(shè)置有第三電極21，該第三電極21的電勢介于第一電極15和第二電極16之間。為了便于施加電勢，本實(shí)施例在具體實(shí)施時(shí)，第二電極16的電勢為0，第一電極15的電勢為負(fù)值，同樣，第三電極21上的電勢為介于第一電極15和第二電極16之間的負(fù)值。

本實(shí)施例通過調(diào)節(jié)第三電極21的電勢，改變了整個(gè)通道內(nèi)電勢的分布，利用電勢的分布的不均勻性的特點(diǎn)，從而改變了不同價(jià)離子在微通道內(nèi)的受力情況，實(shí)現(xiàn)了對Li⁺離子通過分離膜，而高價(jià)離子不通過分離膜。此外，在這個(gè)三個(gè)電極的電勢均固定的情況下，可以調(diào)節(jié)外壓力，使得水流力介于Mg²⁺離子和Li⁺離子受到的電場力之間，那么Li⁺離子通過分離膜，而Mg²⁺離子不通過分離膜，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了不同價(jià)態(tài)的陽/陰離子分離。