Литий из красного шлама: что мешает сделать переработку рентабельной

Красный шлам — высокощелочной мелкозернистый отход производства глинозёма. Красновато-коричневый цвет ему придают соединения железа. На каждую тонну глинозёма образуется примерно 1–1,5 тонны шлама. Ежегодно в мире добавляется около 200 млн тонн этих отходов, а уровень их комплексной утилизации составляет менее 10%.

Один из способов повысить привлекательность переработки — извлекать литий. Однако его содержание в шламе зависит от исходных бокситов, а большая часть лития при производстве глинозёма может уходить в другой технологический поток.

Где остаётся литий

В бокситах литий не образует самостоятельной фазы: он преимущественно связан с глинистыми минералами, в том числе каолинитом и иллитом, а также может входить в состав кукеита. Его содержание заметно различается в зависимости от месторождения.

При высокотемпературном выщелачивании по способу Байера около 80% лития из бокситов может переходить в алюминатный раствор, а около 20% — оставаться в красном шламе. Поэтому рассматривать шлам как главный источник лития на глинозёмном заводе не всегда оправданно.

Литий, который проходит дальше вместе с глинозёмом, может накапливаться в электролите при производстве алюминия. Это позволяет извлекать его и из отходов алюминиевого электролиза. В красном шламе содержание лития, как правило, ниже, чем в рассолах соляных озёр и лепидолите.

Отсюда два направления работы: извлекать литий из технологического раствора до образования конечной продукции или перерабатывать уже накопленный шлам.

Извлечение из раствора: встроиться в производство глинозёма

Первый подход — отделять литий непосредственно из алюминатного раствора. Для этого нужен селективный носитель, устойчивый в сильнощелочной среде. Он должен связывать литий, затем отдавать его в отдельный раствор и после регенерации возвращаться в процесс.

Полученный литиевый раствор очищают, после чего осаждают карбонат лития. Для одного из опубликованных процессов заявлена степень извлечения 95%: из кубометра алюминатного раствора с концентрацией лития 0,16 г/л получают около 810 г карбоната лития батарейного качества.

Преимущество такой схемы — возможность извлекать литий без переработки всей массы красного шлама. Для описанного процесса также заявлено отсутствие дополнительных твёрдых отходов. Удаление лития из потока может снижать его накопление в электролизёрах и помогать поддерживать стабильность электролиза.

Главная сложность — интеграция в действующее производство. Оборудование должно работать с большими потоками горячего сильнощелочного раствора, не нарушая непрерывный выпуск глинозёма. Даже перспективная технология теряет смысл, если создаёт риск сбоев на основной линии.

Переработка шлама: извлечь литий и найти применение остатку

Второе направление — извлечение лития из накопленного красного шлама. Типовая схема включает сушку, обжиговую активацию, дробление, кислотное выщелачивание, удаление примесей, концентрирование раствора и осаждение лития карбонатом натрия. Для выщелачивания используют, в частности, соляную или серную кислоту.

Обжиг изменяет структуру гидроксидов алюминия и характер связывания лития, чтобы повысить эффективность последующего выщелачивания.

Есть и комбинированные схемы — например, совместный обжиг красного шлама с литийсодержащим фарфоровым камнем. В них используют щёлочность шлама и ионный обмен при высокой температуре. В патентах для таких процессов заявлена степень извлечения лития до 98,7%. При этом речь идёт о переработке смеси, а не только самого шлама.

В других исследованиях для выщелачивания применяли смесь хлорида алюминия и соляной кислоты, а затем мембранное концентрирование. Заявленные результаты — извлечение 85–95% лития и чистота продукта не ниже 99,5%.

Эти показатели нельзя напрямую переносить в промышленную экономику. Большинство результатов получено в лабораторных или пилотных условиях. При непрерывной работе меняются требования к расходу реагентов, устойчивости оборудования и стабильности качества продукта.

Что определяет рентабельность

Работа над масштабированием уже идёт. В Китае компания Chalco Shanxi New Materials завершила строительство демонстрационной линии по выпуску карбоната лития килотонного масштаба. Но сам по себе переход к демонстрационной установке ещё не подтверждает рентабельность массовой переработки красного шлама.

Основные ограничения связаны с составом отходов. Красный шлам имеет высокую щёлочность — pH часто составляет 10–13 — и содержит значительные количества железа, алюминия, кремния, кальция и титана. Это увеличивает расход кислот и щелочей при переработке и очистке растворов.

Низкое содержание лития заставляет перерабатывать большие объёмы материала, расходуя энергию и воду. При этом извлечение лития не решает проблему отходов целиком: основная масса шлама остаётся. Для неё нужны направления массового использования — например, в строительных материалах и дорожных основаниях.

Поэтому извлечение лития стоит оценивать как часть комплексной переработки, а не как самостоятельное решение проблемы шламонакопителей. Доход от лития может покрыть часть затрат, но экономика зависит и от того, что удастся сделать с оставшимся материалом.

Высокие цены на литий улучшают расчёты. При снижении цен на первый план выходят расход реагентов, энергии и воды, а также стоимость обращения с остатком. Именно эти параметры, а не рекордная степень извлечения в лаборатории, определяют, станет ли технология рентабельной.