一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取装置及其提取方法与流程

本发明属于离子分离技术领域，具体是指一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取装置及其提取方法。

背景技术：

锂与人们生活密切相关，个人携带的笔记本电脑、手机、蓝牙耳机等数码产品中应用的锂离子电池中就含有丰富的锂元素。锂离子电池是高能储存介质，由于锂离子电池的高速发展，衍生带动了锂矿、碳酸锂等公司业务的蓬勃发展。金属锂电池在军用领域也有应用。

目前，地球上超过3/4锂储量存在盐湖中，并且从盐湖中提锂的成本比从矿石中要低一半左右，所以原液提锂已经成为锂盐产品生产的主要方式。我国盐湖数量多、类型全、资源丰富、富含稀有元素，盐湖锂盐储量占我国锂资源总储量的80％以上，占世界盐湖锂总储量的1/3。目前，已探明全球锂储量达1400万吨。我国锂储量为320万吨，仅次于智利位列世界第二。青藏高原是我国盐湖锂资源主产地，自然条件差，开采难度大。目前国内外提锂方法主要有沉淀法、萃取法、蒸发结晶法、吸附法、膜分离法以及电解法等。然而这些方法大都存在仪器溶损、成本高等一系列问题，并且大部分方法只是用于镁锂比较低的卤水。因此有必要对此进行改进。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取装置及其提取方法。该方法提取效率高，可行性强，具有很高的工业应用价值。

为实现上述目的，本发明的第一个方面是提供一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取装置，包括有主通道、缓冲溶液腔和阴离子选择性渗透膜（13），所述阴离子选择性渗透膜设置于主通道和缓冲溶液腔之间且其两端分别与主通道和缓冲溶液腔内部连通；所述阴离子选择性渗透膜具有导电性且只允许阴离子通过进入所述缓冲溶液腔内，但不能通过阳离子和水；

所述的主通道包括有设置于主通道两侧的主通道入口、主通道出口，以及设置于主通道侧部的提取富锂溶液腔管，所述主通道沿着溶液流动方向依次设有纵向屏障块、若干均匀分布横向屏障块，所述的横向屏障块将主通道的内腔的对应部分分隔成供溶液流通的窄通道、供溶液流通的宽通道，所述的提取富锂溶液腔管的内端与主通道在窄通道的所在一侧连通；

所述主通道入口处设置第一电极v1，其电势为φ1，所述主通道出口处设置第二电极v2，其电势为φ2，并且φ2>φ1，形成电场e1，且该φ1和φ2均小于所述缓冲溶液腔（16）处的电势φ5；

所述主通道与阴离子选择性渗透膜的交界处设置第三电极v3，其电势为φ3，所述缓冲溶液腔与阴离子选择性渗透膜的交界处设置第四电极v4，其电势为φ4，且φ3=φ4>（φ1+φ2）/2，以实现跨越阴离子选择性渗透膜的第二场强e2的方向是从缓冲溶液指向主通道内部的，使得阴离子可以穿越阴离子选择性渗透膜进入缓冲溶液中。

进一步设置是所述的所述缓冲溶液腔接地设置。

进一步设置是第一电极v1、第二电极v2、第三电极v3和第四电极v4均连接可调节电极电势的直流电源，通过改变φ1、φ2、φ3和φ4的大小来改变第一场强e1和第二场强e2的大小。

进一步设置是在主通道入口处施加流体压力p1，在主通道出口处施加流体压力p2，在提取富锂溶液腔管的出口处施加压强p0，通过调节p0，p1，p2的大小来控制通道内部的压强，调节流体在纵向屏障块和均匀分布横向屏障块处流动速度和锂离子富集位置。

进一步设置是在提取富锂溶液腔管的出口处施加压强p0，调节富锂溶液的流动速度，以实现提高镁锂比。

进一步设置是通过控制纵向屏障块和若干均匀分布的横向屏障块的高度，来改变主通道内宽通道和窄通道内局部的水流速度和电场强度，实现锂离子在提取富锂溶液腔管的出口处富集。

进一步设置是所述的主通道尺寸为1-100μm。

本发明还提供一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取方法，该方法在所述的提取装置中进行，其包括有：

将含锂溶液从主通道入口处注入主通道，在电场e1和e2的作用下，阴离子穿过阴离子选择性渗透膜离开主通道进入缓冲溶液腔，从而在主通道下游部分形成离子耗尽区，在缓冲溶液腔与阴离子选择性渗透膜交接处富集，形成离子浓差极化效应；

缓冲溶液腔内的溶液为硫酸钠溶液或者氯化钠溶液；在阳离子富集的局部区域内，电场强度显著增强，因此对流体中的阳离子产生更强的电场力，通过对主通道入口和出口处进行p1和p2的压力调节，能产生一定的水流曳力，由于含锂溶液内的钾离子，钠离子，镁离子和锂离子的电泳淌度差异，利用电场力与水流曳力的平衡，能使得不同阳离子在主通道内不同区域富集；

由于纵向屏障块的存在，离子浓度会在纵向屏障块两侧形成大的阶跃，而主通道内横向屏障块的均匀分布将主通道分为部分窄通道和宽通道，会造成窄通道与宽通道水流速度的出现差异，宽通道内水流速度大于窄通道内水流速度，因此宽通道内水流曳力相对窄通道较大，锂离子浓度将集中于窄通道区域，通过调节该区域富锂溶液腔管区域出口处的压强，能够高效稳定的提取富锂溶液及获取较高的锂镁比溶液。

本发明的优点是利用微流控技术实现高镁锂比的含锂溶液提锂，不仅效率高，可行性强，并且锂离子提取方法简单不用消耗化学试剂，绿色环保，相较传统的方法而言是一种可靠性高的方法。同时仅需要通过调节主通道内纵向和横向屏障块的高度，能够在窄通道内进一步提升锂离子的富集程度并且大幅提升富锂溶液腔管提取的效率和稳定性，具有很高的工业应用价值。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。

图1本发明工作原理图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，一种基于离子浓差极化效应的锂离子提取方法，其基本原理系统包括有主通道2、主通道入口1、主通道出口12、提取富锂溶液腔管9和缓冲溶液腔16，主通道2依次设有纵向屏障块4、若干均匀分布横向屏障块5、供溶液流通的窄通道6、供溶液流通的宽通道15和阴离子选择性渗透膜13，阴离子选择性渗透膜13具有导电性且只允许阴离子通过，但不能通过阳离子和水；所述主通道2与缓冲溶液腔16通过阴离子选择性渗透膜13相连，并允许该阴离子选择性渗透膜13内的阴离子进入所述缓冲溶液腔16内，所述缓冲溶液腔16接地设置；所述主通道入口1处设置第一电极v1，其电势为φ1，所述主通道出口12处设置第二电极v2，其电势为φ2，并且φ2>φ1，形成电场e1，本实施例φ2>φ1均小于0，即小于接地设置的缓冲溶液腔16的电势φ5。

本实施例所述主通道2与阴离子选择性渗透膜13的交界处设置第三电极v3，其电势为φ3，所述缓冲溶液腔16与阴离子选择性渗透膜13的交界处14设置第四电极v4，其电势为φ4，且φ3=φ4>（φ1+φ2）/2，以实现跨越阴离子选择性渗透膜13的第二场强e2的方向是从缓冲溶液17指向主通道2内部的，使得阴离子可以穿越阴离子选择性渗透膜13进入缓冲溶液17中，电极均连接可调节电极电势的直流电源，通过改变φ1、φ2、φ3和φ4的大小来改变第一场强e1和第二场强e2的大小。

本发明工作原理为将卤水(含锂溶液)3从主通道入口1处注入主通道2，因为阴离子选择性渗透膜13的离子选择渗透作用，使得只有阴离子能通过，而阳离子和水分子不能通过，在电场e1和e2的作用下，阴离子穿过阴离子选择性渗透膜13离开主通道2，进入缓冲溶液腔16，从而在主通道2下游部分形成离子耗尽区，在缓冲溶液腔16与阴离子选择性渗透膜13交接处富集，即离子浓差极化效应，缓冲溶液腔16内的溶液为硫酸钠溶液或者氯化钠溶液；缓冲溶液中原来是硫酸钠溶液，电解以后会产生钠离子，硫酸根离子，水电解以后会产生氢离子，氢氧根离子，然后最后就是会产生氯化钠，硫酸钠，氯化氢等，整个过程溶液都在不断电解。

在局部区域内，电场强度显著增强，因此对流体中的阳离子产生更强的电场力，通过对主通道入口1和出口处12进行p1和p2的压力调节，能产生一定的水流曳力，由于卤水3内的钾离子，钠离子，镁离子和锂离子的电泳淌度差异，利用电场力与水流曳力的平衡，能使得不同阳离子在主通道2内不同区域富集；其中由于锂离子的电泳淌度最小，因此在靠近阴离子选择性渗透膜13的区域富集，由于纵向屏障块4的存在，由于纵向屏障块4存在所产生的窄通道内的水流速度及电场强度均会增加，系统内离子所受力为水流曳力，电场力以及离子扩散力三者的平衡，前两项的增大导致扩散力同样增大，因此离子浓度会在纵向屏障块4两侧形成大的阶跃，有利于锂离子浓度富集，而主通道2内横向屏障块5的均匀分布将主通道2分为部分窄通道6和宽通道15，会造成窄通道6与宽通道15水流速度的出现差异，宽通道15内水流速度大于窄通道6内水流速度，因此宽通道15内水流曳力相对窄通道较大，锂离子浓度将集中于窄通道6区域，通过调节该区域富锂溶液腔管9区域出口处的压强，能够高效稳定的提取富锂溶液7及获取较高的锂镁比溶液。

进一步设置是通过调节主通道2两侧电势大小来改变系统内的电场强度，调节离子浓差极化效应的强度，从而改变系统内离子所受电场力大小，使得溶液内的钾离子，钠离子，镁离子，锂离子所受电场力与水流曳力相互平衡。

进一步设置是在主通道入口处1施加流体压力p1，在主通道出口处12施加流体压力p2，在提取富锂溶液腔管出口处8施加压强p0，通过调节p0，p1，p2的大小来控制通道内部的压强，利用电场力与水流曳力的相互平衡，调节流体在纵向屏障块4和均匀分布横向屏障块5处流动速度和锂离子富集位置。

进一步设置是通过调节主通道内纵向屏障块4的高度和横向屏障块5的高度，来调节宽通道15和窄通道6内的水流速度，使得富锂溶液（7）主要集中在窄通道内6，方便利用提取富锂溶液腔管9进行稳定高效的溶液提取。

本发明没有传统提取含锂溶液内锂离子方法的仪器溶损、污染环境等缺点，利用微通道中的离子浓差极化效应实现镁锂分离，通过水流曳力与电场力的平衡以及离子电泳淌度的差异来控制锂离子富集位置。通过在通道内添加纵向和横向屏障块来调节通道内宽通道和窄通道内的水流速度，能使得富锂溶液稳定高效的集中在窄通道区域，将提取富锂溶液腔管开口开在窄通道区域，能够大幅提升系统提取效率以及提升锂镁浓度比，可广泛应用于工业生产。

以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。