[บทวิเคราะห์ SMM] เทคโนโลยีใหม่ในการผลิตลิเทียมคาร์บอเนต: แนวทางและข้อจำกัด

เทคโนโลยีการผลิตลิเทียมคาร์บอเนตกำลังอยู่ในจุดเปลี่ยนสำคัญ วิธีการระเหย-ตกตะกอนแบบดั้งเดิมครองการสกัดลิเทียมจากทะเลสาบน้ำเค็มมานานหลายทศวรรษ ขณะที่วิธีการเผาแร่ลิเทียมไมกาค้ำจุนอุตสาหกรรมแบตเตอรี่ลิเทียมในอี๋ชุน อย่างไรก็ตาม ทั้งสองแนวทางมีข้อจำกัดโดยธรรมชาติ—วิธีการทะเลสาบน้ำเค็มไม่สามารถจัดการกับน้ำเกลือที่มีอัตราส่วนแมกนีเซียมต่อลิเทียมสูงได้ ส่วนวิธีการเผาไมกามีอัตราการคืนกลับต่ำและเกิดกากของเสียปริมาณมาก—ซึ่งเป็นปัญหากังวลเรื้อรังของอุตสาหกรรม ในช่วงสองปีที่ผ่านมา เทคโนโลยีใหม่จำนวนหนึ่งได้ทยอยออกจากห้องปฏิบัติการและสายการผลิตนำร่อง บางส่วนผ่านการตรวจสอบระดับอุตสาหกรรมแล้ว ขณะที่บางส่วนยังติดขัดเรื่องเสถียรภาพของวัสดุและผลกระทบจากการขยายกำลังการผลิต การอภิปรายต่อไปนี้ครอบคลุมสองเส้นทางหลัก ได้แก่ ทะเลสาบน้ำเค็มและหินแข็ง

เส้นทางทะเลสาบน้ำเค็ม: การเปลี่ยนกระบวนทัศน์จาก “การตากแดด” สู่การสกัดลิเทียมโดยตรง

ตรรกะดั้งเดิมของการสกัดลิเทียมจากทะเลสาบน้ำเค็มคือ “การทำให้เข้มข้น-การตกตะกอน”: น้ำเกลือถูกสูบเข้าบ่อระเหย ใช้การระเหยด้วยแสงอาทิตย์เป็นเวลาหลายเดือนเพื่อเพิ่มความเข้มข้นของลิเทียม จากนั้นกำจัดสิ่งเจือปนก่อนตกตะกอน วิธีนี้ได้ผลดีในโครงการช่วงแรกที่อาตากามาของชิลีและชาเอ่อฮั่นของชิงไห่ แต่เมื่อเผชิญกับทะเลสาบน้ำเค็มประเภทคาร์บอเนตในทิเบตและน้ำเกลือชนิดย่อยซัลเฟต-แมกนีเซียมที่มีอัตราส่วนแมกนีเซียมต่อลิเทียมสูง เส้นทางการระเหยกลับถูกขัดขวางด้วยคาร์บอเนตปริมาณมาก หรือติดขัดเพราะสมบัติทางเคมีที่คล้ายคลึงกันของแมกนีเซียมและลิเทียม ทำให้การแยกทำได้ยาก

เทคโนโลยี “ตัวดูดซับลิเทียมไอออนชนิดใหม่ + การชะด้วยคาร์บอนไดออกไซด์” ที่พัฒนาโดยสถาบันวิศวกรรมกระบวนการ สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ถือเป็นความก้าวหน้าที่เป็นตัวแทนที่สุดในทิศทางนี้ หัวใจสำคัญคือตัวดูดซับชนิดใหม่ที่ยึดติดด้วยหมู่ฟังก์ชันทำงานร่วมกันแบบมีขั้ว-ไม่มีขั้ว ซึ่งความจำเพาะต่อลิเทียมไอออนสูงกว่าไอออนซีฟแบบแมงกานีสหรือไทเทเนียมแบบดั้งเดิมอย่างมาก ในปี 2024 โรงงานนำร่องระดับร้อยตันถูกสร้างขึ้นที่ทะเลสาบน้ำเค็มเจี๋ยเจ๋อฉากาในทิเบต (ที่ระดับความสูง 4,600 เมตร) ข้อมูลการเดินระบบแสดงให้เห็นว่าอัตราส่วนโดยมวลของโซเดียมต่อลิเทียมลดลงจาก 240 ในน้ำเกลือเหลือต่ำกว่า 1.0 อัตราการคืนกลับของลิเทียมเกิน 90% การใช้น้ำจืดลดลงจากระดับร้อยตันของวิธีดูดซับ-เมมเบรนแบบดั้งเดิมเหลือ 52 ตันต่อผลิตภัณฑ์หนึ่งตัน และค่า COD ของน้ำเกลือท้ายกระบวนการใกล้เคียงกับระดับพื้นหลังของวัตถุดิบ

ความยากของการนำไปใช้จริงอยู่ที่วิศวกรรมบนพื้นที่สูง หน่วยนำร่องที่เจี๋ยเจ๋อฉาคาเดินเครื่องได้สี่เดือนด้วยความสามารถในการดูดซับที่เสถียร แต่การขยายจากระดับร้อยตันไปสู่ระดับหมื่นตันเกี่ยวข้องกับความสม่ำเสมอของการกระจายของไหลในเบดเคลื่อนที่ต่อเนื่อง การสึกหรอเชิงกลของตัวดูดซับระหว่างวัฏจักรดูดซับ-คายซ้ำหลายรอบ และประสิทธิภาพการถ่ายเทมวลของการคายคาร์บอนไดออกไซด์แบบสามเฟสแก๊ส-ของเหลว-ของแข็ง ซึ่งล้วนเป็นความท้าทายคลาสสิกในการขยายขนาดทางวิศวกรรม เมื่อเทคโนโลยีนี้ผ่านการประเมินผลงานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ได้รับการยอมรับว่า "นำระดับนานาชาติ" แต่การจะเข้าสู่การผลิตขนาดใหญ่จริงยังต้องผ่านการพิสูจน์ในระดับพันตันขึ้นไปอีกอย่างน้อยหนึ่งรอบ

เทคโนโลยี "การสกัดลิเทียมโดยการดูดซับจากน้ำเกลือดิบ" ของหมินเหม่ยเหยียนหู (Minmetals Salt Lake) ก้าวหน้าไปไกลกว่าเล็กน้อย ในเดือนมีนาคม 2025 โรงงานสกัดลิเทียมจากน้ำเกลือดิบประสิทธิภาพสูงระดับหมื่นตันแห่งแรกของโลกสำหรับทะเลสาบเกลือได้เริ่มทดลองเดินเครื่องที่อีหลี่ผิง มณฑลชิงไห่ ใช้เวลาก่อสร้างเพียงเจ็ดเดือนนับจากเริ่มงานจนแล้วเสร็จ หัวใจทางเทคนิคคือวิธีการสกัดลิเทียมแบบดูดซับที่เหมาะกับทะเลสาบเกลือชนิดซัลเฟต-แมกนีเซียมย่อย ไม่ต้องปรับสภาพน้ำเกลือล่วงหน้า และเผชิญโดยตรงกับระบบซับซ้อนที่มีแมกนีเซียมสูง โพแทสเซียมสูง และโซเดียมสูง อัตราการนำกลับคืนของทรัพยากรลิเทียมโดยรวมสูงกว่าเกือบสองเท่าของกระบวนการดั้งเดิม โรงงานนี้เดินเครื่องมานานกว่าหนึ่งปีแล้ว ทำงานต่อเนื่องและเสถียร ทั้งอัตราโหลดต่อหน่วยและอัตราผลิตภัณฑ์ที่ผ่านเกณฑ์เป็นไปตามที่ออกแบบไว้

ความก้าวหน้าที่เกิดขึ้นเป็นเชิงโครงสร้าง: กระบวนการดั้งเดิมสกัดโพแทสเซียมก่อนแล้วจึงสกัดลิเทียม ทำให้ลิเทียมเจือจางจากการสูญเสียแบบพาไปในแต่ละขั้นตอน ส่วนการสกัดลิเทียมโดยตรงจากน้ำเกลือดิบข้ามขั้นตอนการระเหยและทำให้เข้มข้น ลดขั้นตอนลงอย่างมาก และยกระดับอัตราการนำกลับคืนจากเดิม 30%-40% เป็นมากกว่า 80% สำหรับทะเลสาบเกลือชนิดซัลเฟต-แมกนีเซียมย่อยจำนวนมากในชิงไห่ เส้นทางนี้สามารถทำซ้ำได้

การดูดซับควบคุมด้วยไฟฟ้าเป็นทิศทางที่ล้ำสมัยกว่า ทีมของหลิว จง จากสถาบันทะเลสาบเกลือชิงไห่ สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน พัฒนาวัสดุสปิเนลที่มีแมงกานีสแทนที่ตำแหน่งไทเทเนียม (H₁.₃₃Ti₁.₁₇Mn₀.₅O₄) โดยใช้ประโยชน์จากความเสถียรเชิงโครงสร้างของวัสดุฐานไทเทเนียมเฉื่อยและกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้าของแมงกานีส ทำให้ได้ความสามารถในการดูดซับลิเทียม 43.58 มก./ก. ในกระบวนการดูดซับควบคุมด้วยไฟฟ้า โดยมีค่าสัมประสิทธิ์การแยก Li/Na เท่ากับ 420.6 ความท้าทายหลักของเทคโนโลยีนี้คือ "ความขัดแย้งระหว่างกิจกรรมทางเคมีไฟฟ้ากับความเสถียรเชิงโครงสร้าง": ตัวดูดซับฐานไทเทเนียมเสถียรแต่เฉื่อยทางเคมีไฟฟ้า ส่วนฐานแมงกานีสมีกิจกรรมสูงแต่การละลายของแมงกานีสระหว่างวัฏจักรทำให้โครงสร้างพังทลาย กลยุทธ์ของทีมที่แทนที่ไทเทเนียมบางส่วนด้วยแมงกานีสโดยพื้นฐานคือการหาจุดสมดุลระหว่างสองสิ่งนี้ แต่การละลายของแมงกานีสและการเสื่อมสภาพของขั้วไฟฟ้าภายใต้วัฏจักรระยะยาวยังคงเป็นอุปสรรคสำคัญต่อการนำไปใช้ในอุตสาหกรรม งานนี้ยังอยู่ในขั้นห้องปฏิบัติการ ตีพิมพ์ใน Nano Letters และ Environmental Science & Technology และยังห่างจากการทดสอบระดับนำร่องอยู่พอสมควร

เส้นทางไมกา: การเอาชนะปัญหา "การก่อวงแหวน"

การสกัดลิเทียมจากไมกาลิเทียมที่อี๋ชุน มณฑลเจียงซี รองรับกลุ่มวิสาหกิจรวมถึงหย่งซิงแมทีเรียลส์และเจียงเทอมอเตอร์ แต่กระบวนการคั่วด้วยซัลเฟตแบบดั้งเดิมมีปัญหากระบวนการที่แก้ไม่ตกมานาน นั่นคือการก่อวงแหวนในเตาเผาแบบหมุน ระหว่างการคั่วแร่ไมกาที่มีฟลูออรีนสูง ฟลูออไรด์ทำปฏิกิริยากับเกลือโพแทสเซียม-โซเดียมเกิดเป็นยูเทกติกจุดหลอมเหลวต่ำที่เกาะและเติบโตบนผนังเตา จนสุดท้ายต้องหยุดเดินเครื่องบ่อยครั้งเพื่อทำความสะอาด การกัดกร่อนอุปกรณ์และอัตราการนำกลับคืนต่ำเป็นอีกสองจุดเจ็บปวด

โครงการ "เทคโนโลยีและอุปกรณ์การสกัดลิเทียมประสิทธิภาพสูงจากไมกาลิเทียม" ที่นำโดยสถาบันฉางชา ไชน่าอะลูมิเนียมอินเตอร์เนชันแนล มุ่งแก้ปัญหาสามประการนี้โดยเฉพาะ ทีมงานริเริ่ม "เทคโนโลยีการคั่วแทนที่ด้วยเกลือหลอมเหลว" ที่เปลี่ยนเส้นทางปฏิกิริยาการคั่วจากต้นทาง ยับยั้งการเกิดเฟสจุดหลอมเหลวต่ำ จึงแก้ต้นเหตุของการก่อวงแหวนและการกัดกร่อน ด้านการนำกลับคืน ทีมงานพัฒนาเทคโนโลยีการนำกลับคืนแบบครอบคลุมสำหรับโลหะมีค่า เช่น โพแทสเซียมและรูบิเดียมในสารละลายชะละลาย รวมถึงกระบวนการกำจัดสิ่งเจือปนตลอดทั้งกระบวนการสำหรับลิเทียมคาร์บอเนตความบริสุทธิ์สูง โครงการนี้ประสบความสำเร็จในการประยุกต์ใช้เชิงอุตสาหกรรมและเดินเครื่องอย่างเสถียรในหลายโครงการ รวมถึงหย่งซิงสเปเชียลสตีล หลิงเหนิงลิเทียม เฟิงซินไทม์ส และอี๋ชุนหลงผานไทม์ส โดยมีปริมาณลิเทียมออกไซด์ในหางแร่ต่ำกว่า 0.3% และลิเทียมที่ละลายได้ต่ำกว่า 0.02%

ความสำคัญของการนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้จริงอยู่ที่ "ความสามารถในการทำซ้ำ" กำลังการผลิตสกัดลิเทียมจากไมกาของอี๋ชุนมีมหาศาล แต่คุณภาพกระบวนการของผู้ผลิตแต่ละรายแตกต่างกัน และปัญหาการก่อวงแหวนกับอัตราการนำกลับคืนเป็นข้อจำกัดด้านความสามารถในการแข่งขันด้านต้นทุนมานาน กระบวนทัศน์เทคโนโลยีมาตรฐานที่ผ่านการพิสูจน์ในหลายโครงการมีผลโดยตรงต่อการลดต้นทุนของอุตสาหกรรมไมกาลิเทียมอี๋ชุนทั้งหมด สมาคมอุตสาหกรรมโลหะนอกกลุ่มเหล็กจีนยอมรับว่า "นำระดับนานาชาติ" สาเหตุหลักคือได้ก้าวกระโดดจากห้องปฏิบัติการสู่การนำไปใช้ในอุตสาหกรรมหลายโครงการสำเร็จแล้ว

"นวัตกรรมรอบนอก" ในเส้นทางการสกัด

การสกัดด้วยตัวทำละลายไม่ใช่วิธีหลักในการสกัดลิเทียมจากทะเลสาบเกลือ เพราะความจำเพาะของสารสกัดและแรงกดดันด้านสิ่งแวดล้อมเป็นปัญหามาโดยตลอด อย่างไรก็ตาม ทีมจากสถาบันวิศวกรรมกระบวนการ สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน ได้พัฒนาระบบการสกัดสำหรับสารละลายที่มีลิเทียม โดยเสนอวิธีการสตริปใหม่สองวิธี ได้แก่ การสตริปด้วยน้ำและการสตริปด้วย CO₂ ทำให้ได้การนำกลับคืนลิเทียมเกิน 99% และค่า COD ในน้ำทิ้งต่ำกว่า 10 ppm สถานการณ์การใช้งานมีความเฉพาะเจาะจงมาก นั่นคือน้ำแม่หลังการตกตะกอนลิเทียม ในการผลิตลิเทียมคาร์บอเนตแบบดั้งเดิม น้ำแม่หลังการตกตะกอนมีลิเทียมอยู่มากและมักถูกส่งกลับไปยังส่วนหน้าเพื่อแปรรูปใหม่ ทำให้กระบวนการซับซ้อนและผลผลิตต่ำ ระบบการสกัดนี้สามารถสกัดลิเทียมโดยตรงจากน้ำแม่ที่มีโซเดียม-โพแทสเซียมสูงในขั้นตอนเดียวเพื่อผลิตลิเทียมคาร์บอเนตหรือลิเทียมคลอไรด์ ได้รับการสาธิตในสายการผลิตระดับหมื่นตันของชิงไห่ซิงหัวลิเทียมซอลต์และสายนำร่องที่เจี๋ยเจ๋อฉาคาในทิเบต และสายการสกัดน้ำแม่หลังการตกตะกอนลิเทียมระดับหมื่นตันที่เจียงซีจิ่วหลิงลิเทียมกำลังอยู่ระหว่างการก่อสร้าง ข้อจำกัดอยู่ที่กำลังการผลิต: วิธีการสกัดเหมาะสำหรับการบำบัดสารละลายลิเทียมความเข้มข้นสูง แต่สำหรับน้ำเกลือดิบที่มีความเข้มข้นลิเทียมเพียงหลักสิบถึงหลักร้อย มก./ล. การสูญเสียสารสกัดและการพาไปของเฟสอินทรีย์กลายเป็นปัญหาทางเศรษฐศาสตร์

ทิศทางที่น่าจับตาที่ยังไม่ขยายขนาด

การสกัดลิเทียมโดยตรงด้วยเคมีไฟฟ้าเป็นหนึ่งในพื้นที่ที่มีกิจกรรมสิทธิบัตรคึกคักที่สุด จากภาพรวมสิทธิบัตร อุตสาหกรรมกำลังเปลี่ยนจาก "การปรับปรุงวัสดุเดี่ยว" ไปสู่ "การบูรณาการระดับระบบ": ระบบเคมีไฟฟ้าที่ผสานเมมเบรน เครื่องปฏิกรณ์ฟาราเดย์แบบหลายช่อง และสถาปัตยกรรมลูกผสมแบบดูดซับ-เคมีไฟฟ้า กลายเป็นแนวทางหลักของนวัตกรรม สัญญาณหนึ่งที่น่าสนใจคือประมาณ 26% ของสิทธิบัตรชั้นนำมุ่งเป้าไปที่ลิเทียมไฮดรอกไซด์เป็นผลิตภัณฑ์สุดท้ายแทนที่จะเป็นลิเทียมคาร์บอเนต ซึ่งสะท้อนถึงความต้องการลิเทียมไฮดรอกไซด์ที่เพิ่มขึ้นจากวัสดุแคโทดนิกเกิลสูงแบบสามองค์ประกอบ และความจริงที่ว่าเส้นทางกระบวนการผลิต LiOH โดยตรงกำลังถูกพิจารณาอย่างจริงจัง อย่างไรก็ตาม คอขวดการนำไปใช้ในอุตสาหกรรมของเส้นทางเคมีไฟฟ้าชัดเจน: การเสื่อมสภาพของขั้วไฟฟ้าจากวัฏจักรระยะยาว การเปรอะเปื้อนของเมมเบรน (โดยเฉพาะในน้ำเกลือที่มีอัตราส่วนแมกนีเซียมต่อลิเทียมสูง) และการปรับปรุงการใช้พลังงานระดับระบบ การดูดซับเป็นเส้นทาง DLE ที่เติบโตเต็มที่ที่สุดในปัจจุบัน ส่วนวิธีเคมีไฟฟ้าและเมมเบรนยังอยู่ในขั้น "ต้องผ่านการพิสูจน์ขยายขนาดเพิ่มเติม"

การควบแน่นด้วยความร้อนจากแสงและการดูดซับที่ขับเคลื่อนด้วยพลังงานแสงอาทิตย์เป็นอีกทิศทางที่น่าสนใจ แนวคิดคือใช้พลังงานแสงอาทิตย์ให้ความร้อนแก่ตัวดูดซับหรือสารละลายคายโดยตรง เพื่อลดการใช้พลังงานของกระบวนการ ในพื้นที่ทะเลสาบเกลือ เช่น ทิเบตและชิงไห่ที่มีทรัพยากรแสงแดดอุดมสมบูรณ์ หากการใช้ความร้อนของการดูดซับ-คายสามารถผสานกับการใช้ความร้อนจากแสงอาทิตย์ได้ ต้นทุนส่วนเพิ่มจะแข่งขันได้มาก อย่างไรก็ตาม ยังอยู่ในขั้นการวิจัยเบื้องต้น โดยมีข้อมูลทางวิศวกรรมเกี่ยวกับวัสดุและการออกแบบระบบน้อยมาก

บทสรุป

จุดแข่งขันของเทคโนโลยีการผลิตลิเทียมคาร์บอเนตได้เปลี่ยนจาก "ผลิตได้หรือไม่" ไปสู่ "ผลิตได้อย่างเสถียรด้วยต้นทุนต่ำและเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมหรือไม่" การพิสูจน์ระดับหมื่นตันของการสกัดลิเทียมโดยตรงจากน้ำเกลือดิบในทะเลสาบเกลือเป็นหมุดหมายสำคัญ หากโรงงานอีหลี่ผิงของหมินเหม่ยเหยียนหูสามารถแสดงให้เห็นอายุการใช้งานของตัวดูดซับและความเสถียรของกระบวนการของเส้นทางนี้ในรอบสองถึงสามปี จะนำมาซึ่งการปรับโครงสร้างต้นทุนอย่างมีนัยสำคัญสำหรับการพัฒนาทะเลสาบเกลือในชิงไห่และแม้แต่ทิเบต การคั่วแทนที่ด้วยเกลือหลอมเหลวในเส้นทางไมกาเป็นการปรับปรุงประสิทธิภาพบนฐานกำลังการผลิตที่มีอยู่ คุณค่าของมันอยู่ที่การให้พื้นที่หายใจแก่กำลังการผลิตต้นทุนสูงของอี๋ชุน การดูดซับควบคุมด้วยไฟฟ้าและการสกัดลิเทียมโดยตรงด้วยเคมีไฟฟ้าเป็นอนาคตที่ไกลกว่า ศักยภาพอยู่ที่ความสามารถในการแปรรูปทรัพยากรเกรดต่ำและน้ำเกลือนอกแบบ (น้ำจากแหล่งน้ำมัน น้ำเกลือใต้พิภพ) ที่วิธีดั้งเดิมไม่สามารถใช้ประโยชน์เชิงเศรษฐกิจได้ แต่ปัญหาความเสถียรของวัสดุและการบูรณาการระบบไม่สามารถแก้ได้ในหนึ่งหรือสองปี สำหรับอุตสาหกรรม สิ่งที่ควรติดตามอย่างแท้จริงในตอนนี้คือ: ข้อมูลการเดินเครื่องระยะยาวจากโรงงานอีหลี่ผิงของหมินเหม่ยเหยียนหู ความคืบหน้าในการขยายขนาดระดับพันตันของเทคโนโลยีทะเลสาบเกลือชนิดคาร์บอเนตจากสถาบันวิศวกรรมกระบวนการ สถาบันบัณฑิตวิทยาศาสตร์จีน และจังหวะการนำเทคโนโลยีของสถาบันฉางชาไปใช้ในอี๋ชุน จังหวะการนำไปใช้จริงของสามเส้นทางนี้จะกำหนดรูปร่างของเส้นต้นทุนลิเทียมคาร์บอเนตของจีนในปีต่อ ๆ ไป