[Анализ SMM] Новые технологии в производстве карбоната лития: пути и узкие места

Технология производства карбоната лития находится на переломном этапе. Традиционный метод испарительного осаждения десятилетиями доминировал при извлечении лития из соляных озёр, а метод обжига литиевой слюды поддерживал литиевую аккумуляторную промышленность в Ичуне. Однако оба подхода имеют inherentные ограничения: метод соляных озёр бессилен против рассолов с высоким магниево-литиевым соотношением, а слюдяной метод страдает от низкого извлечения и больших объёмов отходов, что давно беспокоит отрасль. За последние два года из лабораторий и пилотных линий вышла целая группа новых технологий. Некоторые уже прошли промышленную проверку, другие всё ещё упираются в стабильность материалов и эффекты масштабирования. Ниже рассматриваются два основных направления: соляные озёра и твёрдые породы.

Направление соляных озёр: смена парадигмы от «солнечного выпаривания» к прямому извлечению лития

Традиционная логика извлечения лития из соляных озёр — «концентрирование-осаждение»: рассол закачивается в испарительные бассейны, в течение месяцев происходит солнечное выпаривание для повышения концентрации лития, затем удаляются примеси перед осаждением. Этот метод был эффективен на ранних проектах в чилийской Атакаме и цинхайском Цархане, но при работе с карбонатными соляными озёрами Тибета и сульфатно-магниевыми подтипами рассолов с высоким магниево-литиевым соотношением испарительный путь либо нарушается большим количеством карбонатов, либо затрудняется из-за схожих химических свойств магния и лития, что усложняет разделение.

Технология «новый литий-ионный адсорбент + десорбция углекислым газом», разработанная Институтом технологической инженерии Китайской академии наук, является наиболее показательным прорывом в этом направлении. Её ядро — новый адсорбент с полярно-неполярными синергетическими функциональными группами, чья селективность к ионам лития значительно превосходит традиционные марганцевые или титановые ионные сита. В 2024 году на соляном озере Цзецзечака в Тибете (на высоте 4600 метров) была построена пилотная установка сттонного масштаба. Эксплуатационные данные показали, что массовое соотношение натрия к литию снизилось с 240 в рассоле до менее 1,0, извлечение лития превысило 90%, потребление пресной воды упало с уровня в сотни тонн, характерного для традиционных адсорбционно-мембранных методов, до 52 тонн на тонну продукции, а ХПК хвостового рассола приблизился к фоновому уровню исходного сырья.

Сложность внедрения заключается в инженерных работах на больших высотах. Пилотная установка в Цзецзечаке проработала четыре месяца со стабильной адсорбционной ёмкостью, но масштабирование от уровня в сотни тонн до уровня в десятки тысяч тонн связано с равномерностью распределения потоков в непрерывных движущихся слоях, механическим износом адсорбентов при многократных циклах адсорбции-десорбции и эффективностью массопереноса при трёхфазной десорбции углекислого газа «газ-жидкость-твёрдое вещество» — каждая из этих задач является классической проблемой при масштабировании технологий. Когда эта технология проходила оценку научно-технических достижений, она была признана «лидирующей на международном уровне», но для реального выхода на крупнотоннажное производство требуется ещё как минимум один цикл проверки на уровне тысячи тонн и выше.

Технология «прямого извлечения лития из исходного рассола адсорбцией» компании Minmetals Salt Lake продвинулась несколько дальше. В марте 2025 года первая в мире высокоэффективная установка извлечения лития из исходного рассола соляных озёр производительностью десять тысяч тонн была введена в опытно-промышленную эксплуатацию в Илипине, провинция Цинхай; от начала строительства до завершения прошло всего семь месяцев. Ключевая техническая особенность — адсорбционный метод извлечения лития, пригодный для соляных озёр сульфатно-магниевого подтипа, не требующий предварительной подготовки рассола и напрямую работающий со сложными системами с высоким содержанием магния, калия и натрия. Комплексный коэффициент извлечения литиевых ресурсов почти вдвое выше, чем при традиционных процессах. Установка работает уже более года непрерывно и стабильно, как коэффициент загрузки оборудования, так и доля продукции, соответствующей требованиям, отвечают проектным ожиданиям.

Приносимый ею прогресс носит структурный характер: традиционные процессы сначала извлекают калий, затем литий, при этом литий разубоживается из-за потерь при увлечении на каждом этапе; прямое извлечение лития из исходного рассола пропускает стадию выпаривания и концентрирования, значительно сокращая технологическую цепочку и повышая коэффициент извлечения с прежних 30–40% до более чем 80%. Для большого числа соляных озёр сульфатно-магниевого подтипа в Цинхае этот путь является воспроизводимым.

Электроуправляемая адсорбция — ещё более передовое направление. Группа под руководством Лю Чжуна из Цинхайского института соляных озёр Китайской академии наук разработала шпинельный материал с замещением титана марганцем (H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄), использующий структурную стабильность инертных титансодержащих материалов и электрохимическую активность марганца, что позволило достичь адсорбционной ёмкости по литию 43,58 мг/г в процессе электроуправляемой адсорбции при коэффициенте разделения Li/Na 420,6. Ключевая проблема этой технологии — «противоречие между электрохимической активностью и структурной стабильностью»: титансодержащие адсорбенты стабильны, но электрохимически инертны, а марганецсодержащие активны, однако растворение марганца при циклировании приводит к разрушению структуры. Стратегия группы по частичному замещению титана марганцем, по сути, представляет собой поиск точки равновесия между этими двумя свойствами, однако растворение марганца и деградация электродов при длительном циклировании остаются главными препятствиями для промышленного внедрения. Эта работа пока находится на лабораторной стадии, опубликована в Nano Letters и Environmental Science & Technology, и до пилотных испытаний ещё далеко.

Слюдяной путь: преодоление проблемы «кольцеобразования»

Извлечение лития из литиевой слюды в Ичуне, провинция Цзянси, обеспечивает работу ряда предприятий, включая Yongxing Materials и Jiangte Motor, однако у традиционного сульфатного обжига существует давняя нерешённая технологическая проблема — кольцеобразование во вращающейся печи. При обжиге высокофтористой слюдяной руды фториды реагируют с калиево-натриевыми солями, образуя легкоплавкие эвтектики, которые налипают на стенки печи и нарастают, что в конечном итоге вынуждает часто останавливать производство для очистки. Коррозия оборудования и низкий коэффициент извлечения — две другие болевые точки.

Проект «Высокоэффективная технология и оборудование для извлечения лития из литиевой слюды», возглавляемый Чаншаским институтом China Aluminum International, направлен именно на решение этих трёх проблем. Группа впервые разработала «технологию обжига с вытеснением в расплаве солей», которая изменяет путь реакции обжига на уровне источника, подавляя образование легкоплавких фаз и тем самым устраняя коренные причины кольцеобразования и коррозии. В части извлечения группа разработала технологию комплексного извлечения ценных металлов, таких как калий и рубидий, из выщелачивающего раствора, а также полный процесс очистки от примесей для получения высокочистого карбоната лития. Проект уже достиг промышленного применения и стабильной работы на нескольких объектах, включая Yongxing Special Steel, Lingneng Lithium, Fengxin Times и Yichun Longpan Times, при этом содержание оксида лития в хвостах ниже 0,3%, а растворимого лития — ниже 0,02%.

Значимость внедрения этой технологии заключается в её «воспроизводимости». Мощности по извлечению лития из литиевой слюды в Ичуне огромны, однако качество технологических процессов у разных производителей различается, а проблемы кольцеобразования и коэффициента извлечения долгое время ограничивали конкурентоспособность по затратам. Стандартизированная технологическая парадигма, подтверждённая на нескольких проектах, напрямую способствует снижению себестоимости для всей ичуньской отрасли литиевой слюды. Ассоциация цветной металлургии Китая признала её «лидирующей на международном уровне» прежде всего потому, что она уже совершила скачок от лаборатории к промышленному внедрению на нескольких объектах.

«Периферийные инновации» в маршруте извлечения

Жидкостная экстракция не является основным методом извлечения лития из соляных озёр, поскольку селективность экстрагентов и экологическая нагрузка всегда были проблемой. Однако группа из Института технологической инженерии Китайской академии наук разработала экстракционную систему для литийсодержащих растворов, предложив два новых метода реэкстракции — водную реэкстракцию и реэкстракцию CO₂, — достигнув извлечения лития более 99% и ХПК в сточных водах ниже 10 ppm. Сценарий её применения весьма специфичен: маточный раствор после осаждения лития. При традиционном производстве карбоната лития маточный раствор после осаждения содержит значительное количество лития и обычно возвращается на начальные стадии для повторной переработки, что усложняет процесс и снижает выход. Данная экстракционная система позволяет напрямую извлекать литий из маточного раствора с высоким содержанием натрия и калия в одну стадию с получением карбоната или хлорида лития. Технология была продемонстрирована на десятитысячетонной производственной линии Qinghai Xinghua Lithium Salt и на пилотной линии в Цзецзечаке в Тибете, а в Jiangxi Jiuling Lithium строится десятитысячетонная линия экстракции лития из маточного раствора после осаждения. Её ограничение связано с производительностью: экстракционные методы пригодны для переработки растворов с высокой концентрацией лития, но для исходного рассола с концентрацией лития всего от десятков до сотен мг/л потери экстрагента и унос органической фазы становятся экономической проблемой.

Направления, заслуживающие внимания, но ещё не масштабированные

Электрохимическое прямое извлечение лития — одна из самых активных областей патентной деятельности. Судя по патентному ландшафту, отрасль переходит от «оптимизации отдельных материалов» к «системной интеграции»: мембранно-интегрированные электрохимические системы, многокамерные фарадеевские реакторы и гибридные адсорбционно-электрохимические архитектуры стали основными направлениями инноваций. Один примечательный сигнал заключается в том, что примерно 26% ведущих патентов нацелены на получение гидроксида лития в качестве конечного продукта, а не карбоната лития. Это отражает растущий спрос на гидроксид лития со стороны высоконикелевых тройных катодных материалов и тот факт, что технологические пути прямого производства LiOH всерьёз рассматриваются. Однако узкие места промышленного внедрения электрохимического маршрута очевидны: долговременная деградация электродов при циклировании, загрязнение мембран (особенно в рассолах с высоким отношением магния к литию) и оптимизация энергопотребления на системном уровне. Адсорбция в настоящее время является наиболее зрелым маршрутом прямого извлечения лития, тогда как электрохимические и мембранные методы остаются на стадии «требуется дальнейшая проверка масштабирования».

Фототермическое сопряжение и адсорбция с использованием солнечной энергии — ещё одно направление, заслуживающее внимания. Идея состоит в использовании солнечной энергии для непосредственного нагрева адсорбента или десорбционного раствора, что снижает энергозатраты процесса. В районах соляных озёр, таких как Тибет и Цинхай, с обильными солнечными ресурсами, если теплопотребление адсорбции-десорбции удастся совместить с использованием солнечной тепловой энергии, предельные издержки окажутся весьма конкурентоспособными. Однако это всё ещё находится на ранней стадии исследований, и инженерных данных по материалам и проектированию систем крайне мало.

Заключение

Центр конкурентной борьбы в технологии производства карбоната лития сместился с вопроса «можно ли его произвести» к вопросу «можно ли производить его стабильно, с низкими затратами и экологически безопасно». Десятитысячетонная проверка прямого извлечения лития из исходного рассола соляных озёр является ключевой вехой. Если установка Minmetals Salt Lake в Илипине сможет в течение двух-трёхлетнего цикла продемонстрировать срок службы адсорбента и стабильность процесса на этом маршруте, это приведёт к существенной перестройке себестоимости освоения соляных озёр в Цинхае и даже в Тибете. Обжиг с вытеснением в расплаве солей на слюдяном маршруте представляет собой повышение эффективности на базе существующих мощностей, и его ценность состоит в том, чтобы дать высокозатратным мощностям Ичуня некоторую передышку. Электроуправляемая адсорбция и электрохимическое прямое извлечение лития — это более отдалённое будущее. Их потенциал заключается в возможности перерабатывать низкосортные ресурсы и нетрадиционные рассолы (пластовые воды нефтяных месторождений, геотермальные рассолы), которые традиционными методами экономически использовать невозможно, однако проблемы стабильности материалов и системной интеграции не решить за год-два. Для отрасли сейчас действительно стоит отслеживать: долгосрочные эксплуатационные данные установки Minmetals Salt Lake в Илипине, прогресс масштабирования до уровня тысячи тонн технологии для соляных озёр карбонатного типа от Института технологической инженерии Китайской академии наук и темпы внедрения технологии Чаншаского института в Ичуне. Ритм внедрения этих трёх направлений определит форму кривой себестоимости карбоната лития в Китае в ближайшие годы.