Перспектива добычи лития из рудных и гидроминеральных месторождений Иркутской области

Говорин В.А., АО "Иргиредмет", канд. техн. наук

Лыткина А.А., инженер лаборатории гидрометаллургии АО "Иргиредмет"

В настоящее время российская промышленность не располагает собственными крупными мощностями по добыче и производству карбоната лития батарейного сорта. Вместе с тем растущая потребность в этом компоненте, имеющем важное значение для обеспечения технологического суверенитета и развития страны, и зависимость от импорта сырья смещают акцент на внутреннюю добычу лития из руд и гидроминеральных источников, расположенных в различных регионах России, в том числе в Иркутской области.

В последнее время спрос на литий, являющийся базовым элементом батарей для современных электронных устройств и электромобилей, существенно повысился. В производстве литий-ионных источников энергии в основном используется карбонат лития так называемого батарейного сорта, то есть содержащий не менее 99,5 % основного вещества. 

На данный момент отечественная промышленность не имеет собственных крупных мощностей по добыче и производству карбоната лития батарейного сорта, а использует импортное высокообогащенное сырье, что заставляет научное и деловое сообщество России обратить внимание на перспективные источники этого металла в Иркутской области: месторождения сподуменовых руд и гидроминеральные месторождения подземных вод.

Месторождения сподуменовых руд

На рис. 1 представлена карта литиеносных месторождений и рудопроявлений, расположенных в Южной Сибири [1]. В соответствии с ней на территории Иркутской области, в Восточном Саяне, находятся несколько расположенных рядом средних по мощности месторождений лития: Урикское, Гольцовое, Белореченское.

Рисунок 1. Карта литиеносных месторождений и рудопроявлений Южной Сибири (составлена Гусевым [1]) 

В институте "Иргиредмет" работы по исследованию и разработке технологии обогащения литийсодержащих руд этих месторождений с получением сподуменовых концентратов, содержащих не менее 4,5 % Li₂O, начаты в середине ХХ века. Для изученных проб сподуменовых руд характерен химический состав, указанный в табл. 1.

Таблица 1. Химический состав изученных проб сподуменовых руд

На основании проведенных исследований была рекомендована принципиальная гравитационно-флотационная технологическая схема обогащения (рис. 2).

Обогащение сподуменовых руд включает типичные для редкометалльного сырья операции: дробление и обесшламливание, измельчение и классификацию, гравитацию и магнитную сепарацию, флотацию сподумена и обезвоживание концентрата.

Рисунок 2. Принципиальная технологическая схема обогащения сподуменовых руд

Извлечение лития в сподуменовый концентрат, который является исходным сырьем для производства карбоната лития батарейного сорта, оценивается на уровне 70–80 % при его содержании ≥4,5 %.

Следует отметить, что попутное выделение в товарные концентраты других редких металлов, содержащихся в рудах, таких как ниобий, тантал, олово, бериллий и т.д., может положительно сказаться на экономической эффективности производства.

Обогатительную фабрику целесообразно расположить на месте добычи руды, а дальнейшую металлургическую переработку сподуменового концентрата – в промышленных районах Иркутской области с развитой инфраструктурой, в непосредственной близости от узловых железнодорожных станций Транссиба: Тайшет, Нижнеудинск, Черемхово, Ангарск и т.д.

Доминирующей технологией получения карбоната лития аккумуляторного сорта из сподуменовых концентратов в промышленности в настоящее время является сернокислотная схема. Принципиальная блок-схема производства карбоната лития из сподуменового концентрата представлена на рис. 3.

Рисунок 3. Принципиальная блок-схема производства карбоната лития из сподуменового концентрата

Технологическую схему переработки сподуменового концентрата условно можно разбить на четыре крупных блока:

1. Головные операции (гранулирование, декрипитация, охлаждение, измельчение и сульфатизация): для получения β-сподумена концентрат нагревается необходимое время в интервале температур 1000–1350° С, в результате чего происходит декрипитация минерала, см. уравнение (1).

    α-(Li, Na) [AlSi₂O₆] → β-(Li, Nа) [AlSi₂O₆]                                                                   (1)

2. Выщелачивание концентрата с переводом сульфата лития в раствор.
3. Концентрирование и очистка (выпарка и/или обратный осмос, очистка раствора сульфата лития от примесей).
4. Получение готовой продукции (осаждение и кристаллизация карбоната лития, фильтрация и промывка, сушка).

Применяемые в промышленности технологии производства карбоната лития батарейного сорта из рудного сырья в основном отличаются методами доочистки раствора сульфата лития от щелочных и щелочноземельных металлов – это сорбционная очистка или карбонизация-декарбонизация. Выбор того или другого варианта зависит от химического состава исходного сподуменового концентрата и определяется на исследовательской стадии. Извлечение лития из концентрата в товарную продукцию находится на уровне 80–90 %.

При переработке стоков в качестве попутной продукции можно получать товарный сульфат натрия, что позволит организовать замкнутый водооборот. Наряду с кислотным вариантом переработки литийсодержащих сподуменов существуют щелочные методы, основанные на спекании с известняком. В высокой стадии готовности к внедрению находится автоклавный процесс выщелачивания лития карбонатными растворами.  

Литиеносное гидроминеральное сырье

Открытие и разработка в 1990-х годах богатейшего месторождения литиевой рапы в Чили произвели переворот на рынке литиевой продукции. Интерес к подземным рассолам в качестве конкурирующего источника производства Li₂CO₃ возрастает по всему миру из-за более низких издержек по сравнению с рудным сырьем. Кроме Чили, огромные запасы литийсодержащих рассолов находятся в Боливии, Аргентине, Китае, России и США [2,3].

Состав рассолов на месторождениях литиевого гидроминерального сырья (ЛГМС) в различных регионах мира приведен в табл. 1.

Таблица 1. Характеристика литиевого гидроминерального сырья некоторых месторождений мира [3]

В табл. 1 представлены два месторождения ЛГМС в Иркутской области: Ковыктинское (крупное месторождение природного газа) и Знаменское, рассолы которых имеют близкий химический состав.

Рассолы Ковыктинского и Знаменского месторождений относятся к кальций-магний-хлоридному типу в отличие от натрий-калий-хлоридных рассолов в Чили и Аргентине, которые являются основными продуцентами лития из ЛГМС в мире. Концентрация Li в рассолах указанных месторождений находится на довольно высоком уровне – от 0,39 до 0,48 г/л. Кроме того, эти рассолы имеют высокие промышленные концентрации брома (6–10 г/л), который можно попутно получать в виде товарной продукции – жидкого молекулярного брома.

На рис. 4 приведено краткое описание перспективных технологий извлечения лития из рассолов семи зарубежных компаний, внедренных или находящихся на стадии, близкой к реализации.

¹ КФП – кристаллизация, фильтрация, промывка.

² LiP – фосфат лития.

³ Без учета стадий подготовки продукта (сушки, упаковки).

Рисунок 4. Краткое описание перспективных технологий извлечения лития из рассолов зарубежных компаний

Как видно из представленной информации, применение современных технологических методов – сорбционной технологии, нанофильтрации, экстракции, электролиза и т.д. – создает предпосылки для эффективного извлечения лития из рассолов сложного химического состава. Производители и разработчики технологий вкладывают крупные средства в развитие перспективных процессов, чему способствует существенный рост цены на карбонат лития.

Исследованиями по извлечению лития из рассолов Ковыктинского и Знаменского месторождений занимались компании ООО НПВФ "Брайнсиб" и ЗАО "Экостар-Наутех" [4]. В технологии они применяли сорбционный процесс с использованием селективного сорбента ДГАЛ-Cl, синтез которого осуществляется из активированных (дефектных) форм гид­роксида алюминия с получением хлорсодержащей разновидности двойного гидроксида алюминия и лития (LiCl₂Аl(OН)₃*ЗН₂O) [5].

На рис. 5 представлена рекомендуемая принципиальная технологическая схема комплексной переработки рассолов Знаменского и Ковыктинского месторождений с извлечением лития и брома. При переработке кальций-магний хлоридных рассолов промежуточным продуктом является хлорид лития либо в виде соли, либо 20-процентного концентрированного раствора LiCl в случае близкого расположения производства конечного продукта в виде Li₂CO₃.

Рисунок 5. Принципиальная технологическая схема извлечения лития и брома из рассолов Знаменского и Ковыктинского месторождений

В связи с высокой концентрацией хлорида кальция – от 350 до 400 г/л – рассолы ЛГМС Иркутской области можно рассматривать как потенциальное сырье для получения гипохлорита кальция, который в больших объемах используется на золотоизвлекательных фабриках (ЗИФ) на операции обезвреживания хвостовой пульпы. По рекомендованной схеме предусмотрено выделение хлорида кальция в виде кристаллогидратов в голове процесса, что значительно снизит затраты на очистку хлорида лития от этой примеси.

Для оценки целесообразности извлечения из рассолов Знаменского и Ковыктинского месторождений лития и брома, которое оценивается в 89 и 94 % соответственно, а также кристаллогидратов хлорида кальция в первую очередь необходимо выполнить предварительное технико-экономическое обоснование.

Заключение

В мировой экономике отмечается существенное повышение спроса на литий, являющийся базовым элементом в производстве батарей для современных электронных устройств и электромобилей, что повлекло за собой трехкратный рост цены на карбонат лития за последние пять лет.

Иркутская область обладает значительным потенциалом перспективных источников добычи солей лития, как рудных (месторождения Восточных Саян), так и гидроминеральных (Ковыктинского и Знаменского месторождений).

Рассолы гидроминеральных месторождений Иркутской области являются комплексным сырьем, из которого, наряду с карбонатом лития, можно извлекать бром и хлорид кальция для производства гипохлорита кальция, который используется на ЗИФ. 

Для освоения литийсодержащих месторождений Иркутской области необходимо тесное взаимодействие проектных институтов, в частности АО "Иргиредмет", недропользователей и инвесторов в вопросах финансирования научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ, разработки и внедрения технологий переработки сырья. 

Список использованной литературы

1. Владимиров, А.Г., Ляхов, Н.З., Исупов, В.П., Загурский, В.Е., Гусев, Г.С., Белозеров, И.М. // Разведка и охрана недр. 2011. № 6. С 13–20.
2. Рябцев, А.Д. Гидроминеральное сырье – неисчерпаемый источник лития в XXI веке // Известия Томского политехнического университета. Т. 307. № 7, 2004.
3. Кудрявцев, П.Г., Кудрявцев, Н.П. Сравнение эффективности способов извлечения лития и его соединений из природного сырья // Проблемы переработки промышленных и бытовых отходов, Ред. рег. № 2614,
4. Коцупало, Н.П., Рябцев, А.Д. Химия и технология получения солей лития из литиеносного гидроминерального сырья // Академическое изд-во "Гео", Новосибирск, 2008.
5. Селективный сорбент для извлечения лития из хлоридных высокоминерализованных рассолов. Менжерес, Л.Т., Рябцев, А.Д., Мамылова, Е.В.: ЗАО "Экостар-Наутех" // Известия Томского политехнического университета, № 7, 2004.