一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统及方法

本发明属于化工及环保，具体涉及一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统及方法。

背景技术：

1、作为性能优异的储能设备，锂离子电池一直受到能源领域的关注。锂离子电池具有比能量高、自放电弱、循环性能好、无记忆效应和环保等优点，是目前最具发展前景的二次电池。自1997年，goodenough发现磷酸铁锂(lifepo4)可作为锂离子电池正极材料以来，lifepo4便成为最具潜力的正极材料之一。相比其他正极材料，lifepo4的结构稳定，热稳定性好，循环性能好，成本较低，环保无毒，在安全性与稳定性方面具有绝对的优势。

2、水热合成是制备磷酸铁锂正极材料的常见方法，其基本原理为以水或有机溶剂为溶剂，利用反应原料在高温液相中的反应与结晶，形成磷酸铁锂粉体，其典型的化学反应方程式如下：

3、lioh+feso4+h3po4→lifepo4↓+li2so4+3h2o

4、水热合成磷酸铁锂的反应固相为磷酸铁锂粉体，液相为硫酸锂溶液。硫酸锂是一种具有腐蚀性及毒性的化学品，直接排放将导致环境的严重污染甚至危及工厂周边群众的生命健康；并且反应过程中，锂源浪费严重，难以有效利用。因此，如何在水热合成磷酸铁锂的过程中，循环利用锂源并处理有害产物，不仅是实现规模化水热合成磷酸铁锂的技术难题，也是一个重要的科学问题。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统及方法，通过对工艺出水中的锂资源回收并形成锂源溶液，对杂质离子沉淀收集形成副产品，对工艺出水进行蒸发冷凝收集并回用，可以将有毒有害废水转化为副产品，避免了有毒有害废水废渣的排放，同时实现了工艺系统中水的完全循环与锂资源的充分利用，提高了水热合成磷酸铁锂正极材料的经济效益。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、第一方面，本发明提供一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，包括：

4、物料处理模块，所述物料处理模块的出口连接混合反应模块；

5、混合反应模块，所述混合反应模块与产品后处理模块相连，用于磷酸铁锂的水热合成制备；

6、产品后处理模块，所述产品后处理模块与锂回收模块相连，用于实现磷酸铁锂产物的分离、提纯和包覆；

7、锂回收模块，所述锂回收模块与水回用模块连接，用于对工艺出水中的资源回收；

8、水回用模块，所述水回用模块用于实现对工艺出水的收集与回用。

9、上述系统进一步的改进在于：

10、所述物料处理模块包括纯水储罐、第一原料储罐和第二原料储罐；纯水储罐的入口与水回用模块相连，纯水储罐的第一出口接第一高压计量泵入口，第二出口连接产品后处理模块，第三出口连接第一原料储罐的入口；第一高压计量泵出口连接加热器入口，加热器出口连接混合反应模块；第一原料储罐出口连接第二高压计量泵入口，第二高压计量泵出口接混合反应模块；第二原料储罐出口连接第三高压计量泵，第三高压计量泵连接产品后处理模块。

11、所述混合反应模块包括顺次连接的混合器、反应器、冷却器和降压器；混合器的入口分别与加热器、第二高压计量泵和第三高压计量泵相连；降压器的出口连接产品后处理模块。

12、所述产品后处理模块包括顺次连接的分离器、清洗-脱水装置和球磨-干燥-焙烧装置；分离器的入口与降压器相连，另一出口与锂回收模块连接，用于收集分离后的水；清洗-脱水装置的入口分别与分离器和纯水储罐连接，另一出口与锂回收模块连接，用于收集分离后的水；球磨-干燥-焙烧装置的另一侧出口与水回用模块连接，用于回收反应产生的水蒸气。

13、所述锂回收模块包括出水缓存装置、锂分离装置、干燥装置和蒸发浓缩装置；出水缓存装置的入口分别连接分离器和清洗-脱水装置，出口连接锂分离装置的入口；锂分离装置的出口分别连接干燥装置和蒸发浓缩装置；干燥装置的出口与水回用模块连接；蒸发浓缩装置的出口分别与第二原料储罐和水回用模块连接。

14、所述冷却器的出口还与蒸发浓缩装置相连，用于回收流体降温所产生热量。

15、所述水回用模块包括冷凝器，冷凝器的入口分别与球磨-干燥-焙烧装置、干燥装置和蒸发浓缩装置连接，出口与纯水储罐的入口连接，用于回收工艺步骤中损失的水并回用于混合反应模块。

16、第二方面，本发明提供一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺方法，包括以下步骤：

17、原料配制；将制备磷酸铁锂正极所需的铁源、磷源、添加剂加入第一原料储罐中，锂源加入第二原料储罐中；

18、水热合成反应；纯水经由第一高压计量泵升压，加热器升温后进入混合器，铁源、磷源和添加剂经由第二高压计量泵升压后进入混合器，锂源溶液经由第三高压计量泵升压后入混合器，上述原料在混合器中混合，并依次经过反应器、冷却器和降压器后，得到磷酸铁锂悬液；

19、主产品后处理；得到的磷酸铁锂悬液经分离器分离后得到固相产物跟水；水进入出水缓存装置进行回收，固相产物进入清洗-脱水装置后得到纯磷酸铁锂粉体和水；清洗脱水后的水进入出水缓存装置进行回收；纯磷酸铁锂粉体进入球磨-干燥-焙烧装置，加入碳源后处理得到磷酸铁锂正极材料，且产生的水蒸气进入冷凝器进行回收；

20、出水锂回收；分离器与清洗-脱水装置所得出水，经出水缓存装置进入锂分离装置，分离得到固相产物与稀锂源溶液；所得固相产物经干燥装置干燥后作为工艺副产品，所得稀锂源溶液经蒸发浓缩装置成为锂源溶液，进入第二原料储罐进行回收；且干燥过程与蒸发浓缩过程所产生的水蒸气均进入冷凝器进行回收；

21、水回用；从球磨-干燥-焙烧装置、干燥装置和蒸发浓缩装置中回收到的水进入冷凝器后，凝结为纯水进入纯水储罐继续参与系统反应。

22、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

23、1、本发明系统设置有锂回收模块，处理水热合成磷酸铁锂的反应出水，实现了锂资源的回收并继续用于水热合成反应，避免了锂资源的浪费；通过锂回收系统，反应出水中杂质离子形成沉淀并干燥形成副产品。原材料完全利用，提高了水热合成磷酸铁锂正极材料的经济效益。

24、2、本发明系统设置有水回用模块，回收产品后处理、锂回收等工艺步骤中损失的水并回用于水热合成反应，实现了水的工艺内循环的同时，避免了废水、废渣的排放，对环境无污染，实现了磷酸铁锂的绿色合成。

25、3、本发明系统中冷却器产生的热量可以进入蒸发浓缩装置，为后续稀锂源溶液的蒸发提供热量，降低了系统能耗，对提高废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统的经济性有很大帮助。

技术特征：

1.一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述物料处理模块包括纯水储罐(1)、第一原料储罐(2)和第二原料储罐(3)；纯水储罐(1)的入口与水回用模块相连，纯水储罐(1)的第一出口(20)接第一高压计量泵(4)入口，第二出口(21)连接产品后处理模块，第三出口(22)连接第一原料储罐(2)的入口；第一高压计量泵(4)出口连接加热器(7)入口，加热器(7)出口连接混合反应模块；第一原料储罐(2)出口连接第二高压计量泵(5)入口，第二高压计量泵(5)出口接混合反应模块；第二原料储罐(3)出口连接第三高压计量泵(6)，第三高压计量泵(6)连接产品后处理模块。

3.根据权利要求2所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述混合反应模块包括顺次连接的混合器(8)、反应器(9)、冷却器(10)和降压器(11)；混合器(8)的入口分别与加热器(7)、第二高压计量泵(5)和第三高压计量泵(6)相连；降压器(11)的出口连接产品后处理模块。

4.根据权利要求3所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述产品后处理模块包括顺次连接的分离器(12)、清洗-脱水装置(13)和球磨-干燥-焙烧装置(14)；分离器(12)的入口与降压器(11)相连，另一出口与锂回收模块连接，用于收集分离后的水；清洗-脱水装置(13)的入口分别与分离器(12)和纯水储罐(1)连接，另一出口与锂回收模块连接，用于收集分离后的水；球磨-干燥-焙烧装置(14)的另一侧出口与水回用模块连接，用于回收反应产生的水蒸气。

5.根据权利要求4所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述锂回收模块包括出水缓存装置(15)、锂分离装置(16)、干燥装置(17)和蒸发浓缩装置(18)；出水缓存装置(15)的入口分别连接分离器(12)和清洗-脱水装置(13)，出口连接锂分离装置(16)的入口；锂分离装置(16)的出口分别连接干燥装置(17)和蒸发浓缩装置(18)；干燥装置(17)的出口与水回用模块连接；蒸发浓缩装置(18)的出口分别与第二原料储罐(3)和水回用模块连接。

6.根据权利要求5所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述冷却器(10)的出口还与蒸发浓缩装置(18)相连，用于回收流体降温所产生热量。

7.根据权利要求5或6所述的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统，其特征在于，所述水回用模块包括冷凝器(19)，冷凝器(19)的入口分别与球磨-干燥-焙烧装置(14)、干燥装置(17)和蒸发浓缩装置(18)连接，出口与纯水储罐(1)的入口连接，用于回收工艺步骤中损失的水并回用于混合反应模块。

8.一种采用权利要求7所述系统的废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种废水废渣零排放的水热合成磷酸铁锂工艺系统及方法，属于化工及环保技术领域。本发明系统包括物料处理模块，混合反应模块，产品后处理模块，锂回收模块和水回用模块。通过对工艺出水中的锂资源回收并形成锂源溶液，对杂质离子沉淀收集形成副产品，对工艺出水进行蒸发冷凝收集并回用，将有毒有害废水转化为副产品，避免了有毒有害废水废渣的排放，同时实现了工艺系统中水的完全循环与锂资源的充分利用，提高了水热合成磷酸铁锂正极材料的经济效益。

技术研发人员：王树众,张宝权,王进龙,刘伟,杨健乔
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15