FR3015457A1 - Materiau et procede de preparation d'un materiau adsorbant sous forme d'extrudes en presence d'un liant organique et procede d'extraction de lithium a partir de solutions salines utilisant ledit materiau - Google Patents
Materiau et procede de preparation d'un materiau adsorbant sous forme d'extrudes en presence d'un liant organique et procede d'extraction de lithium a partir de solutions salines utilisant ledit materiau Download PDFInfo
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Abstract
On décrit un procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiCl.2Al(OH)3,nH2O avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), à une température comprise entre 20 et 80°C pendant une durée comprise entre 1h et 12h, d) une étape de mise en forme par malaxage - extrusion de ladite pâte séchée, en présence d'au moins un liant organique, et sans ajout d'acide ni de base à la pâte séchée introduite dans ladite étape d), pour obtenir des extrudés, et e) le séchage des extrudés obtenus à une température comprise entre 20 et 200°C pendant une durée comprise entre 1 heure et 20 heures, pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiCl.2Al(OH)3,nH2O sous forme d'extrudés. L'invention concerne également un procédé d'extraction du lithium à partir de solutions salines utilisant le matériau ainsi obtenu. L'invention se rapporte à un matériau solide cristallisé de formule LiCl.2Al(OH)3,nH2O avec n étant compris entre 0,01 et 10 mis en forme. L'invention se rapporte également à un dispositif mettant en œuvre le procédé d'extraction de lithium.
Description
MATERIAU ET PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU ADSORBANT SOUS FORME D'EXTRUDES EN PRESENCE D'UN LIANT ORGANIQUE ET PROCEDE D'EXTRACTION DE LITHIUM A PARTIR DE SOLUTIONS SALINES UTILISANT LEDIT MATERIAU Domaine technique La présente invention se rapporte au domaine des matériaux solides pour l'adsorption du lithium. En particulier, la présente invention se rapporte à un nouveau procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé, mis en forme sous forme d'extrudés par malaxage - extrusion en présence d'au moins un liant organique, de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 et à un procédé d'extraction du lithium à partir de solutions salines utilisant ledit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 préparé selon le nouveau procédé de préparation selon l'invention. L'invention se rapporte à un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 mis en forme. L'invention se rapporte également à un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'extraction de lithium.
Art antérieur Les ions lithium coexistent avec des quantités massives de métaux tels que par exemple les alcalins, les alcalino-terreux, le bore et les sulfates, en particulier dans des solutions salines telles que les saumures. Ainsi, ils doivent faire l'objet d'une extraction économique et sélective à partir de ces solutions salines. En effet, les propriétés chimiques du lithium et des métaux alcalins, de préférence le sodium (Na), et le potassium (K) et des alcalino-terreux, de préférence le magnésium (Mg), le calcium (Ca) et le strontium (Sr), rendent difficile la séparation de ces éléments.
Les matériaux solides de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 sont connus pour leur utilisation dans les phénomènes d'adsorption/désorption des ions lithium et en particulier dans les procédés d'extraction du lithium à partir de solutions salines. Ces structures peu stables permettraient l'intercalation d'atomes de Lithium dans la structure et ainsi l'extraction du lithium.30 Plusieurs protocoles opératoires conduisant à des solides susceptibles d'adsorber sélectivement le lithium ont été mis en évidence dans l'art antérieur. Dans tous les cas, un solide trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3, préparé ou commercial, est mis en contact avec un précurseur de lithium. Trois principaux précurseurs sont utilisés : le plus utilisé est le chlorure de lithium (LiCI). Un hydroxyde d'aluminium (LiOH) ou un carbonate de lithium (Li2CO3) peuvent également être mis en oeuvre. Le brevet US 6 280 693 décrit un procédé de préparation d'un solide LiCl/A1(OH)3 par ajout d'une solution aqueuse de LiOH a une alumine hydratée polycristalline pour former du LiOH/AI(OH)3, et ainsi créer des sites de lithium actifs dans les couches cristallines de l'alumine sans en altérer la structure. La transformation de LiOH/AI(OH)3 en LiCl/A1(OH)3 est ensuite réalisée par ajout d'acide chlorhydrique dilué. Les pastilles d'alumine ainsi préparées sont ensuite utilisées dans un procédé d'extraction du lithium à partir de saumures à haute température. Le procédé d'extraction du lithium décrit dans le brevet US 6 280 693 utilise le solide détaillé ci-dessus et comprend les étapes ci-après : a) Saturation d'un lit de solide par une saumure contenant un sel de lithium LiX, X étant choisi parmi les halogénures, les nitrates, les sulfates et les bicarbonates, b) Déplacement de la saumure imprégnée par une solution concentrée NaX, c) Élution du sel LiX capté par le solide par passage d'une solution non saturée de LiX, d) Déplacement de l'imprégnant par une solution concentrée de NaX, les étapes a) à d) sont ensuite répétées au moins une fois. Le brevet RU 2 234 367 décrit un procédé de préparation d'un solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 comprenant une étape de mélange de trichlorure d'aluminium (AIC13) et de carbonate de lithium (Li2CO3) en présence d'eau à 40°C. Le résidu obtenu est filtré et lavé puis séché pendant 4 heures à 60°C. Le solide ainsi obtenu n'est pas mis en forme. Le solide obtenu est utilisé pour l'extraction du lithium contenu dans des solutions salines par mise en contact avec de l'eau afin d'éliminer une partie du lithium puis par mise en contact avec une solution saline contenant du lithium. La capacité statique ainsi obtenue est comprise entre 6,0 et 8,0 mg de lithium par g de solide. Le brevet CN1243112 décrit un procédé de préparation d'un solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 comprenant une étape de précipitation de microcristaux d'hydroxyde d'aluminium Al(OH)3 par mise en contact d'AICI3 et d'hydroxyde de sodium NaOH, puis la mise en contact desdits microcristaux avec une solution à 6% de chlorure de lithium LiCI à 80°C pendant 2 heures suivie d'une filtration, d'un rinçage et d'un séchage pour obtenir une poudre de LiC1.2A1(OH)3,nH20 doté d'une structure non ordonnée et amorphe. Une solution d'un polymère macromoléculaire choisie parmi les résines fluorées, le chlorure de polyvinyle (PVC), le chlorure de polyvinyle chloré (CPVC), le perchlorate d'éthylène et l'acétate-butyrates de cellulose (CAB) faisant office de liant est ensuite mélangée à la poudre de LiC1.2A1(OH)3,nH20 pour obtenir une pâte qui est ensuite mise en forme par granulation suivie d'un séchage à l'air. L'utilisation d'un tel solide dans un procédé d'extraction du lithium des saumures de lacs salés permet d'obtenir un faible rapport Mg/Li et une liqueur mère riche en lithium et conforme aux normes de production de carbonates ou de chlorures de lithium. Un objectif de la présente invention est de fournir un matériau solide permettant l'extraction sélective de lithium à partir de saumure, ledit matériau solide étant de bonne qualité, et présentant une bonne cohésion, sans défauts apparents. Un objectif de la présente invention est de fournir un nouveau procédé de préparation d'un tel matériau solide.
Un autre objectif de la présente invention est de fournir un procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 préparé selon le nouveau procédé de préparation selon l'invention.
Résumé et intérêt de l'invention Les demandeurs ont découvert un nouveau procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, et en particulier que le fait de réaliser l'étape de mise en forme par malaxage - extrusion d'une pâte en présence d'au moins un liant organique, après une étape de séchage opérant dans des conditions spécifiques, et l'étape de mise en forme étant ensuite suivie d'une étape de séchage finale opérant également dans des conditions spécifiques, permettait d'obtenir un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 sous forme d'extrudés de bonne qualité, présentant une bonne cohésion, sans défauts apparents. Les matériaux solides cristallisés extrudés sont de bonne qualité, et présentent une bonne cohésion, sans défauts apparents.
On entend de préférence par « matériau de formule LiC1.2A1(OH)3.nH20 » un matériau comprenant essentiellement ou consistant d'une phase cristallisée de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20, éventuellement en présence de liant(s).
La présente invention a pour objet un procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes : a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), à une température comprise entre 20 et 80°C pendant une durée comprise entre 1h et 12h, d) une étape de mise en forme par malaxage - extrusion de ladite pâte séchée, en présence d'au moins un liant organique, pour obtenir des extrudés, e) le séchage des extrudés obtenus à l'issue de l'étape d) à une température comprise entre 20 et 200°C pendant une durée comprise entre 1 et 20 heures, pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 sous forme d'extrudés.
Un avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'un matériau solide cristallisé mis en forme, et avantageusement sous forme d'extrudés de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de bonne qualité, sans défauts apparents, et présentant une bonne cohésion.
La présente invention a donc également pour objet un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, mis en forme. Ce matériau solide mise en forme est susceptible être obtenu selon le procédé de l'invention. Par « mis en forme », on entend que le matériau est solide et présente une cohésion suffisante lorsque que le solide est mis au contact d'une solution de saumure pour qu'il ne perde sensiblement pas son intégrité physique, c'est-à-dire qu'il conserve sensiblement sa mise en forme. Plus précisément, un solide mis en forme au sens de l'invention couvre de préférence un solide conservant sensiblement sa mise en forme dans les conditions d'extraction de lithium définies dans les exemples. En particulier, les termes « mis en forme » couvrent un matériau obtenu de préférence par extrusion (appelé extrudé).
Un autre avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'un matériau solide cristallisé mis en forme, et avantageusement sous forme d'extrudés, de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, présentant pas ou peu de fissures qui pourraient provoquer un gonflement néfaste à la cohésion et à la tenue du matériau lorsque celui est mis au contact d'une solution saumure.
Un autre avantage du procédé de préparation selon l'invention réside dans l'addition d'au moins un liant organique dans l'étape d) de mise en forme permettant l'obtention d'un matériau solide cristallisé sous forme d'extrudés de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, présentant une résistance sous agitation améliorée au contact de la saumure. La présente invention a également pour objet un procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide cristallisé sous forme d'extrudés de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, préparé selon le nouveau procédé de préparation selon l'invention. Un avantage du procédé d'extraction selon l'invention est de permettre l'extraction sélective du lithium à partir d'une solution saline et d'obtenir ainsi un facteur de décontamination élevé par rapport à la solution saline initiale, calculé comme étant le rapport X/Li qui est égal au rapport molaire de concentrations X/Li dans la solution saline initiale divisé par le rapport molaire de concentrations X/Li dans la solution finale, X étant choisi parmi le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le bore (B), le soufre (S) et le strontium (Sr).
La présente invention a également pour objet un dispositif d'extraction de lithium de solution(s) saline(s). Le dispositif selon l'invention met ainsi en oeuvre le procédé d'extraction selon l'invention.
Description de l'invention Conformément à l'invention, au moins une source d'alumine et au moins une source de lithium sont mélangées en milieu aqueux pour obtenir une suspension dans l'étape a).
De préférence, la source d'alumine est le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3. Le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3 peut avantageusement être commercial. De préférence, le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3 est préparé par précipitation de trichlorure d'aluminium (AIC13) et de soude (NaOH).
Dans ce cas, ladite source d'alumine et de préférence le trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3 est préparé préalablement au mélange avec au moins une source de lithium. Le trichlorure d'aluminium AlC13 et la soude NaOH sont avantageusement mélangés en présence d'eau pour former un précipité qui est avantageusement filtré et lavé au moins une fois. Le précipité obtenu est ensuite mélangé selon l'étape a) avec au moins une source de lithium pour obtenir une suspension. La ou les source(s) de lithium peu(ven)t être tout composé comprenant l'élément lithium et pouvant libérer cet élément en solution aqueuse sous forme réactive. De préférence, la ou les source(s) de lithium est (sont) choisie(s) parmi les sels de lithium et de manière préférée parmi le chlorure de lithium (LiCI), l'hydroxyde de lithium (LiOH), le nitrate de Lithium, (LiNO3), le sulfate de lithium (Li2SO4) et le carbonate de lithium (Li2CO3), pris seuls ou en mélange. De manière très préférée, la source de lithium est le chlorure de lithium (LiCI).
De préférence, au moins une source d'alumine et au moins une source de lithium sont mélangées en présence d'eau pour obtenir une suspension dans l'étape a). De préférence, ladite étape a) de mélange opère sous agitation vigoureuse. De préférence, ladite étape a) de mélange opère à une température comprise entre 40 et 120°C et de manière préférée entre 60 et 100°C, pendant une durée comprise entre 1 heure et 10 heures, de préférence entre 1 et 8 heures, de manière préférée entre 1 et 6 heures et de manière plus préférée entre 1 et 3 heures. Conformément à l'invention, la suspension obtenue à l'issue de l'étape a) subit une étape b) de filtration pour obtenir une pâte.
De préférence, la filtration est réalisée sur un filtre Büchner, par déplacement d'eau.
Conformément à l'invention, la pâte obtenue à l'issue de l'étape b) est séchée dans une étape c) de séchage à une température comprise entre 20 et 80°C, pendant une durée comprise entre 1 h et 12 h. De préférence, ladite étape de séchage opère, de manière préférée en étuve, à une température comprise entre 20 et 60°C et de manière très préférée entre 30 et 50°C, pendant une durée comprise entre 1 h et 10 h. Les conditions opératoires de ladite étape c) de séchage permettent l'obtention d'une pâte séchée présentant une perte au feu (PAF) comprise entre 45 et 75% et de préférence entre 50 et 70%. La perte au feu obtenue permet l'extrusion de la pâte séchée dans de bonnes conditions et l'obtention d'extrudés sans défaut, c'est à dire sans fissure. De manière à déterminer la PAF avant l'étape de mise en forme, une partie de la pâte obtenue est prélevée et mise à l'étuve pendant 6 h à 120°C. La PAF est obtenue par différence entre la masse de l'échantillon avant et après passage à l'étuve.
Conformément à l'invention, ladite pâte séchée obtenue à l'issue de l'étape c) de séchage subit, une étape d) de mise en forme par malaxage - extrusion en présence d'au moins un liant organique, pour obtenir des extrudés, et sans ajout d'acide ni de base à la pâte séchée introduite dans ladite étape d).
On entend par étape de malaxage - extrusion, une étape dans laquelle la pâte séchée obtenue à l'issue de l'étape c) de séchage subit une étape de malaxage, généralement en présence d'au moins un liant, puis la pâte est ensuite soumise à une étape d'extrusion.
Ladite étape d) de mise en forme par malaxage/extrusion est avantageusement réalisée de manière connue de l'Homme du métier. De préférence, ladite pâte séchée obtenue à l'issue de l'étape c) de séchage, et au moins ledit liant organique sont mélangés, de préférence en une seule fois, dans un malaxeur. Le malaxeur est avantageusement choisi parmi les malaxeurs batch, de préférence à bras à cames ou à bras en Z, ou bien à l'aide d'un malaxeur-mélangeur bi- vis. Les conditions de malaxage sont ajustées de manière connue de l'Homme du métier et visent à obtenir une pâte homogène et extrudable. Dans les procédé de malaxage - extrusion connus de l'homme du métier, l'extrudabilité de la pâte peut avantageusement être ajustée avec l'ajout de l'eau et/ou d'acide en solution, afin d'obtenir une pâte adaptée à la réalisation de l'étape b) de mise en forme par extrusion. Dans le cas où de l'acide est ajouté, une étape de neutralisation est généralement mise en oeuvre. Ces procédés sont appelés procédés de malaxage acide/basique extrusion. Dans la présente invention, l'étape de malaxage est réalisée sans ajout d'acide ou de base. Ainsi, aucune étape d'acidification ni de neutralisation de la pâte séchée n'est mise en oeuvre dans l'étape d) de mise en forme par malaxage - extrusion selon l'invention. La pâte passe ensuite avantageusement à travers une filière, à l'aide par exemple, d'un piston ou d'une extrudeuse continue double vis ou monovis. Le diamètre ou section de la filière de l'extrudeuse est avantageusement variable et est compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,2 et 3 mm et de manière préférée entre 0,3 et 2 mm. La forme de la filière, et par conséquent, la forme du matériau obtenu sous forme d'extrudé, est avantageusement cylindrique, par exemple de section circulaire, annulaire, trilobée, quadrilobée ou bien multilobée. Le matériau solide mis en forme selon l'invention peut ainsi présenter de telles caractéristiques. Notamment le matériau solide mis en forme présente un diamètre ou section sensiblement équivalent à celui de la filière de l'extrudeuse, et avantageusement compris entre 0,1 et 5 mm, de préférence entre 0,2 et 3 mm et de manière préférée entre 0,3 et 2 mm. Le diamètre ou section peut varier du fait d'une éventuelle rétraction du solide. Ainsi le matériau mis en forme selon la présente invention peut être filaire de longueur par exemple comprise entre 1 et 10 mm, et encore par exemple entre 2 et 6 mm. La forme cylindrique peut être creuse (tubulaire) ou pleine. Avantageusement, le matériau solide selon l'invention peut comprendre au moins un liant organique, et éventuellement au moins liant inorganique.
Ledit ou lesdits liant(s) organique(s) utilisés dans ladite étape d) de mise en forme sont avantageusement choisi(s) parmi les paraffines, et les polymères, pris seul ou en mélange. De préférence, ledit ou lesdits liant(s) organique(s) sont choisi(s) parmi le Cerfobol 30 R75, les polysaccharides, le méthylcellulose, l'hydroxypropylméthylcellulose, l'hydroxyéthylcellulose, le carboxymethylcellulose et l'alcool polyvinylique pris seul ou en mélange. De manière très préférée, ledit liant organique est le Cerfobol R75. Le Cerfobol R75 comprend 28,4% de masse organique paraffine sèche diluée dans une phase 35 aqueuse.
La proportion dudit ou desdits liant(s) organique(s) ajoutée(s) dans ladite étape d) de mise en forme est avantageusement comprise entre 0,1 et 20% en masse, de préférence entre 0,1 et 15% en masse, de manière préférée entre 0,1 et 12% en masse, de manière très préférée entre 0,5 et 10% et de manière encore plus préférée entre 0,5 et 6,5% masse par rapport à la masse totale de pâte sèche à mettre en forme. L'addition d'au moins un liant organique dans ladite étape d) facilite la mise en forme par extrusion de l'étape d) du procédé selon l'invention. L'addition d'au moins un liant organique dans ladite étape d) permet également l'obtention d'un matériau solide cristallisé sous forme d'extrudés de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, présentant une résistance sous agitation améliorée au contact de la saumure. Conformément à l'invention, les extrudés obtenus à l'issue de l'étape d) subissent une étape e) de séchage à une température comprise entre 20 et 200°C pendant une durée comprise entre 1 heure et 20 heures, pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 sous forme d'extrudés. De préférence, ladite étape e) de séchage opère à une température comprise entre 20 et 100°C, de manière préférée entre 20 et 80°C et de manière très préférée entre 20 et 60°C, pendant une durée comprise entre 1 et 18 heures, de préférence entre 5 et 14 heures et de manière préférée entre 8 et 14 heures. Les conditions spécifiques de ladite étape e) de séchage permettent l'obtention d'un matériau solide cristallisé présentant la phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 désirée. Ladite étape e) de séchage est avantageusement réalisée selon les techniques connues de l'Homme du métier et de préférence en étuve.
Le procédé selon la présente invention permet donc l'obtention d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de préférence entre 0,1 et 5 et de manière préférée entre 0,1 et 1, sous forme d'extrudés de diamètre ou section compris entre 0,2 et 5 mm, de préférence entre 0,3 et 4 mm, de manière préférée entre 0,3 et 3 mm, de manière très préférée entre 0,3 et 2 mm et de manière encore plus préférée entre 0,3 et 1,8 mm. Les meilleurs résultats en terme de tenue mécanique et de cohésion du matériau solide cristallisé obtenus selon le procédé de préparation selon l'invention sont obtenus dans le cas d'extrudés de diamètre ou section compris entre 0,2 et 5 mm et de préférence comprise entre 0,3 et 1,8 mm, lesdits extrudés ayant été obtenus à l'issue d'une étape de séchage e) finale réalisée à une température comprise entre 20 et 60°C et en particulier à 40°C, pendant une durée comprise entre 5 et 14 heures, de préférence entre 8 et 14 heures et en particulier pendant 8 heures.
Le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, avantageusement sous forme d'extrudés, préparé selon l'enchainement des étapes a), b), c) et d) du procédé de préparation selon l'invention peut être caractérisé selon les techniques suivantes : l'adsorption d'azote pour la détermination de la surface spécifique selon la méthode BET; la diffractométrie de rayons X, dans le domaine d'angle de diffraction 20 = 0,8 à 40°± 0,02° en géométrie de réflexion pour identifier la structure dudit matériau et l'analyse élémentaire. Le matériau solide cristallisé de formule LiCI.2A1(OH)3,nH2O mis en forme, avantageusement sous forme d'extrudés présente avantageusement une surface spécifique mesurée selon la méthode BET comprise entre 1 et 30 m2/g et de préférence entre 1 et 20 m2/g. Le diagramme de diffraction de rayon X du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de préférence entre 0,1 et 5 et de manière préférée entre 0,1 et 1, obtenu selon l'invention, sous forme d'extrudés est caractéristique d'un matériau non amorphe et présente au moins les raies suivantes : 20 d(À) 11,505 7,69 20,195 4,39 23,065 3,85 35,937 2,5 39,948 2,26 55,406 1,66 63,243 1,47 64,349 1,45 Le procédé de préparation selon la présente invention permet donc l'obtention d'un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, avantageusement sous forme d'extrudés présentant à la fois une surface spécifique BET faible, une bonne cohésion, et n'ayant pas de défauts apparents.
Les bonnes propriétés du matériau obtenu résultent de l'effet combiné de la mise en oeuvre de l'étape de mise en forme, avantageusement par malaxage - extrusion en présence d'un liant organique assurant à la fois la cohésion et la résistance mécanique des extrudés obtenus et à la mise en oeuvre, avant et après ladite étape de mise en forme, de deux étapes de séchages opérant dans des conditions bien spécifiques. Ainsi la présente invention a pour objet un matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, mis en forme, de préférence sous forme d'extrudés. En particulier le matériau solide extrudé est susceptible d'être obtenu selon le procédé de préparation de l'invention. La présente invention a également pour objet un procédé d'extraction du lithium à partir d'une solution saline utilisant ledit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10 selon l'invention.
Ladite solution saline utilisée dans le procédé d'extraction selon l'invention comprend avantageusement une concentration en lithium comprise entre 0,001 mol/L et 0,5 mol/L, de préférence entre 0,02 mol/L et 0,3 mol/L. Ladite solution saline contient également d'autres espèces, telles que par exemple les espèces choisies parmi la liste suivante : Na, K, Rb, Cs, Mg, Ca, Sr, Ba, F, CI, Br, I, SO4, 003, NO3, et HCO3. Ladite solution saline peut avantageusement être saturée en sels ou non. Ladite solution saline peut être toute solution saline naturelle, concentrée ou issue d'un procédé d'extraction ou de transformation du lithium. Par exemple, ladite solution saline utilisée dans le procédé d'extraction selon l'invention peut avantageusement être choisie parmi les saumures de lacs salés ou de sources géothermales, les saumures soumises à une évaporation pour obtenir des saumures concentrées en lithium, l'eau de mer, les effluents des usines de production de cathodes, ou de production de chlorure ou d'hydroxyde de lithium et les effluents des procédé d'extraction du lithium à partir de minéraux. Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention est de préférence un procédé d'extraction sélective du lithium. En effet, il permet la séparation du lithium des métaux alcalins, de préférence le sodium (Na), et le potassium (K) et des alcalino-terreux, de préférence le magnésium (Mg), le calcium (Ca) et le strontium (Sr), présents en quantité massive dans les solutions salines traitées dans ledit procédé d'extraction. Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention permet également la séparation sélective du lithium des autres composés tels que le bore et les sulfates.
Le procédé d'extraction du lithium selon l'invention est avantageusement mis en oeuvre dans une unité comprenant au moins une colonne, la ou lesdites colonnes comprenant au moins un lit dudit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 1, mis en forme et préparé selon le procédé de préparation selon l'invention. De préférence, ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant entre une et quatre colonnes, et de manière préférée entre deux et trois colonnes.
La présente invention couvre un dispositif comprenant de telles unités. Le dispositif selon l'invention peut comprendre une ou plusieurs unités selon l'invention. Ledit procédé d'extraction du lithium comprend avantageusement au moins les étapes suivantes : une étape d'activation dudit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, une étape de chargement dudit matériau activé par adsorption réalisée par passage de ladite solution saline sur ledit matériau activé, au moins une étape de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau, une étape de désorption du lithium réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de sel de lithium sur ledit matériau pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium.
De préférence, ladite étape d'activation du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, sous forme d'extrudés, est réalisée une seule fois lors de la mise en colonne du matériau synthétisé et mis en forme selon le procédé de préparation selon l'invention. Ladite étape d'activation permet d'activer les sites destinés à adsorber sélectivement le lithium.
De préférence, ladite étape d'activation est avantageusement réalisée par le passage ascendant ou descendant, et de préférence descendant, d'eau ou d'une solution de sel de lithium ayant une concentration comprise entre 0,001 mol/L et 0,1 mol/L, de préférence entre 0,001 mol/L et 0,05 mol/L et de manière préférée entre 0,01 et 0,04 mol/L. De manière préférée, le sel de lithium utilisé en solution dans ladite étape d'activation est choisi parmi le chlorure de lithium (LiCI), le nitrate de lithium et le bromure de lithium.
De manière très préférée, le sel de lithium utilisé en solution dans ladite étape d'activation est le chlorure de lithium (LiCI). Selon un mode de réalisation préféré, ledit matériau solide cristallisé activé subit à l'issue de l'étape d'activation une étape de lavage avec une solution de chlorure de lithium (LiCI). Ladite étape d'activation est avantageusement réalisée à une température comprise entre 000 et 90°C, et de préférence entre 10°C et 60°C, et de manière préférée entre 10°C et 30°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution nécessaire à l'activation est avantageusement comprise entre 1 BV et 30 BV, de préférence entre 2 BV et 20 BV. On entend par BV, le volume occupé par le lit du solide dans la colonne.
Ladite étape de chargement dudit matériau activé par adsorption est avantageusement réalisée par passage ascendant ou descendant, et de préférence ascendant, de la solution saline traitée dans le procédé d'extraction selon l'invention, sur ledit matériau activé. Ladite étape de chargement est avantageusement effectuée à une température comprise entre 0°C et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution nécessaire pour saturer ledit matériau dépend de la capacité d'adsorption dudit matériau et de la concentration en lithium de la solution saline. La capacité d'adsorption dudit matériau est comprise entre 1 et 50, de préférence entre 1 et 30 et de manière préférée entre 1 et 10 mg de Li/g de matériau solide sec.
Dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant deux colonnes, la première colonne est avantageusement saturée par le lithium lors de ladite étape de chargement. La deuxième colonne, recevant le flux de sortie de la première colonne, est avantageusement chargée jusqu'à l'obtention d'une fuite en lithium ne dépassant pas 10% de la concentration en lithium du flux d'entrée et de préférence 5%, permettant ainsi de maximiser le rendement de récupération en lithium. Dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant trois colonnes, la troisième colonne, déjà saturée en lithium, est consacrée aux étapes de lavage puis de désorption du lithium, décrites ci-après, pendant le chargement des deux autres colonnes. La première fraction du flux de sortie de ladite étape de chargement par adsorption, avantageusement entre 0 BV et 1 BV, correspond à l'élimination de l'imprégnant issu de l'étape d'activation du matériau solide. Cette fraction peut être considérée comme un effluent ou recyclée, et de préférence recyclée comme flux d'entrée de l'étape de désorption. Dans le cas du traitement d'une saumure naturelle ou d'eau de mer, au-delà de 1 BV, l'intégralité du flux de sortie de ladite étape de chargement par adsorption, appelé ci-après raffinat qui n'a subi aucun traitement chimique, est avantageusement et de préférence renvoyé vers le gisement de solution saline d'origine. A l'issue de l'étape de chargement par passage de la solution saline traitée dans le procédé selon l'invention sur le matériau activé, la solution saline imprègne ledit matériau activé. La solution saline imprégnant le matériau activé est ensuite lavée dans au moins une étape de lavage par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau. Ladite ou lesdites étape(s) de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau, est (sont) avantageusement réalisée(s) par passage ascendant ou descendant d'une solution de lavage sur ledit matériau, et de préférence descendant. De préférence, ladite solution de lavage est choisie parmi l'eau et une solution aqueuse de sel de sodium et de préférence de chlorure de sodium (NaCI), comprenant éventuellement un sel de lithium et de préférence le chlorure de lithium (LiCI), ladite solution présentant avantageusement une concentration en sel de sodium et de préférence en chlorure de sodium (NaCI), supérieure à 2 mol/L, de préférence comprise entre 2 mol/L et la saturation et une concentration en sel de lithium et de préférence en chlorure de lithium (LiCI), comprise entre 0 mol/L et 2 mol/L. Selon un mode de réalisation préféré, ladite solution saline imprégnant le matériau activé subit une étape finale de lavage par passage d'une solution de lavage aqueuse de chlorure de sodium (NaCI) comprenant éventuellement du chlorure de lithium (LiCI), sur ledit matériau. Ladite étape de lavage est avantageusement réalisée à une température comprise entre 000 et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution nécessaire au lavage est comprise entre 0,1 BV et 10 BV, typiquement dans la gamme 0,5 BV à 5 BV.
Le flux de sortie de ladite étape de lavage est considéré comme un effluent ou est avantageusement recyclé, et de préférence recyclé à l'entrée de l'étape de chargement ou directement à l'entrée de la deuxième colonne dans le cas où ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention est mis en oeuvre dans une unité comprenant au moins deux colonnes.
Le dispositif selon la présente invention peut comprendre avantageusement une unité de recyclage du flux de sortie de l'unité de lavage. Ladite étape de lavage permet le lavage de la solution saline imprégnée dans ledit matériau lors de l'étape de chargement dudit matériau par adsorption, tout en limitant la désorption du lithium. Dans le cas où ladite solution de lavage est une solution aqueuse saturée de chlorure de sodium (NaCI), ladite étape de lavage permet non seulement d'éliminer la solution saline imprégnée dans ledit matériau lors de l'étape de chargement dudit matériau par adsorption mais aussi de désorber les éléments tels que le bore, les sulfates, les alcalins autres que le lithium et les alcalino-terreux. L'étape de désorption du lithium est ensuite réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de chlorure de lithium (LiCI) sur ledit matériau à l'issue de l'étape de lavage pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium.35 De préférence, ladite étape de désorption est réalisée par passage ascendant ou descendant, et de préférence descendant, d'eau ou d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) contenant de 0,001 mol/L à 2 mol/L de LiCI, et de préférence de 0,01 mol/L à 1 mol/L.
Ladite étape de désorption est avantageusement réalisée à une température comprise entre 000 et 90°C, et de préférence entre 10°C et 70°C à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, et de préférence entre 1 BV/h et 15 BV/h. La quantité de solution de chlorure de lithium (LiCI) nécessaire à la désorption est avantageusement comprise entre 0,01 et 10 BV, et de préférence entre 0,05 BV et 5 BV.
Le flux de sortie de ladite étape de désorption du lithium génère le produit final du procédé, appelé éluat. L'éluat est avantageusement récupéré entre 0 BV et 4 BV, et de préférence entre 0,2 BV et 3 BV.
L'ensemble des autres fractions du flux de sortie de cette étape ne constituant pas le produit final appelé éluat, est considéré comme un effluent ou est avantageusement recyclé, et de préférence recyclé à l'entrée de l'étape de lavage ou de l'étape de chargement.
L'éluat obtenu à l'issue du procédé d'extraction selon l'invention est une solution contenant majoritairement les éléments Li, Na et Cl ainsi que des impuretés de préférence choisies parmi K, Mg, Ca, Sr, B ou SO4. L'éluat est ensuite avantageusement concentré puis purifié pour obtenir un sel de lithium de haute pureté.
Ledit procédé d'extraction du lithium selon l'invention permet l'extraction sélective du lithium à partir d'une solution saline et permet ainsi d'obtenir un facteur de décontamination élevé par rapport à la solution saline initiale, calculé comme étant le rapport X/Li qui est égal au rapport molaire de concentration X/Li dans la solution saline initiale divisé par le rapport molaire de concentration X/Li dans l'éluat, X étant choisi parmi le sodium (Na), le potassium (K), le magnésium (Mg), le calcium (Ca), le bore (B), le soufre (S) et le strontium (Sr). La présente invention couvre également un dispositif d'extraction de lithium caractérisé en ce qu'il comprend une unité comprenant au moins une colonne, ladite colonne comprenant au moins une garniture comprenant le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, mis en forme, tel que défini selon la présente invention. Plus particulièrement, l'invention couvre un dispositif mettant en oeuvre le procédé d'extraction de lithium selon l'invention. Encore plus précisément, le dispositif de la présente invention comprend des unités ou moyens mettant en oeuvre les différentes étapes du procédé d'extraction de lithium selon l'invention. Par « selon l'invention » ou des termes équivalents, on entend couvrir tout mode de réalisation, variante, caractéristique avantageuse ou préférée, pris seul ou selon l'une quelconque de leurs combinaisons, sans aucune limitation.
Description des figures : La figure 1 représente une photo du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple comparatif 1.
La figure 2 représente une photo du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple comparatif 2. La figure 3 représente une photo du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple 3 selon l'invention.
La figure 4 représente le diagramme de diffraction des rayons X du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple 3 selon l'invention.
Les figures 5 et 6 représentent les photographies des extrudés obtenus selon l'exemple 3 selon l'invention avant et après le test de vieillissement accéléré sur table d'agitation d'après l'exemple 5. L'invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif. Exemples : Exemple 1 : non conforme On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec étant compris entre 0,01 et 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée en présence d'un liant organique mais selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion, technique mise en oeuvre selon les connaissances de l'homme du métier. 1/ Synthèse Al(OH)3 Dans un bécher refroidit par un bain de glace, une solution contenant 326 ml d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (AIC13) est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium (NaOH) sont ajoutés lentement. Ce gâteau est mis en suspension dans un bécher de 3 L avec 320 mL d'eau. 2/ Addition du chlorure de lithium LiCI. On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium LiCI fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 80°C pendant 8h suivent les 2 premières étapes. La pâte séchée obtenue est ensuite mise en forme selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion. La pâte séchée est introduite dans un malaxeur de type Brabender. Ensuite sont ajoutés 2,055 g de liant organique Cerfobol R/75, soit 10% de masse organique sèche de Cerfobol, soit 0,584g de masse organique sèche par rapport à la masse de solide à mettre en forme, ce qui représente 3% masse de liant organique Cerfobol par rapport à la masse totale de pâte sèche à mettre en forme. L'eau acidifiée avec de l'acide nitrique est ensuite ajouté en 4 minutes, sous malaxage à 20 tours/min. Le malaxage acide est poursuivi pendant 10 minutes. Une étape de neutralisation est ensuite réalisée par ajout d'une solution ammoniacale dans le malaxeur et le malaxage est poursuivi pendant 3 minutes. Le malaxage est réalisé avec un taux d'acide total, exprimé par rapport à la pâte séchée de 2 %, et un taux de neutralisation de 20 %. A l'issue du malaxage, une pâte peu cohésive a été obtenue.
Le solide mouillé obtenu est mise en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1 mm de diamètre. Les extrudés obtenus, représentés sur la figure 1, sont friables et présentent de nombreuses fissures.35 Exemple 2 : non conforme On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec étant compris entre 0,01 et 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée par malaxage-extrusion selon la technique classique, technique mise en oeuvre selon les connaissances de l'homme du métier, en présence d'un liant inorganique de la famille des liants hydraulique ajouté pendant la phase de malaxage. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bécher refroidit par un bain de glace, une solution contenant 326 ml d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (AIC13) est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium (NaOH) sont ajoutés lentement. Ce gâteau est mis en suspension dans un bécher de 3 L avec 320 mL d'eau. 2/ Addition du chlorure de lithium LiCI. On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium LiCI fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 40°C pendant 8 h suivent les 2 premières étapes. 37,7g du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0.01 et 1 est obtenu selon le procédé décrit dans l'exemple 1 à la différence près que l'étape de mise en forme est réalisée par malaxage - extrusion en présence d'un liant inorganique. La pâte séchée obtenue à l'issue du premier séchage de l'exemple 1 est introduite dans un malaxeur de type Brabender en présence de 21,8 g d'eau et en présence de 4,6 g de ciment Dyckerhoff en tant que liant hydraulique et est simplement malaxé. La pâte obtenue est mise en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1 mm de diamètre. Les extrudés obtenus à l'issue de l'étape de mise en forme sont ensuite séchés en étuve à 40°C pendant 12h. Les extrudés obtenus à l'issue de l'étape de mise en forme ont également été séchés en étuve climatique à 25 °C pendant 48h sous air saturé avec 98% d'eau.
Les deux méthodes de séchage ont menés au même résultat : les extrudés obtenus sont représentés sur la figure 2, ils sont friables et présentent de nombreuses fissures.
Exemple 3 : (selon l'invention) On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte par extrusion est réalisée directement après l'étape c) de séchage, sans étape de malaxage intermédiaire, pour obtenir des extrudés et en présence d'un liant organique. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bécher refroidit par un bain de glace, une solution contenant 326 ml d'eau permutée et 135,6 g de chlorure d'aluminium hexahydraté (AIC13) est préparée. Ensuite sous agitation magnétique, 67,5 g d'hydroxyde de sodium (NaOH) sont ajoutés lentement.
Un refroidissement du milieu réactionnel est nécessaire car la réaction est exothermique. On obtient un précipité blanc qui est transvasé dans un bâti pour être filtré et lavé. Plusieurs lavages à l'eau permutée (environ 4 fois le volume total de la synthèse 400 ml) sont nécessaires afin d'éliminer l'excès le sodium. 2/ Addition du chlorure de lithium LiCI. On prépare une solution contenant 78,5g de chlorure de lithium LiCI fourni par la société Prolabo et 1326 ml d'eau qui est additionnée au gâteau repulpé. Ce milieu réactionnel est agité et chauffé à 80°C pendant 2 h. Une filtration puis un séchage en étuve à 40°C pendant 8h suivent les 2 premières étapes. 20,55 g de pâte séchée obtenue à l'issue du séchage sont introduite dans une cuve d'un malaxeur de type Brabender. Ensuite sont ajoutés dans la cuve, 2,055 g de liant organique Cerfobol R/75, soit 10% de masse organique sèche de Cerfobol, soit 0,61g de masse organique sèche par rapport à la masse de solide à mettre en forme, ce qui représente 3% en masse de liant organique Cerfobol par rapport à la masse totale de pâte sèche à mettre en forme. Le mélange est alors malaxé pendant 30 min. La pâte obtenue est ensuite mise en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 0,8 mm de diamètre. La pâte obtenue a également été mise en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1,6 mm de diamètre. Dans les deux cas, les extrudés obtenus sont séchés à 40°C pendant 12h et des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 présentant une bonne cohésion et un aspect correct sont obtenus. Les extrudés obtenus sont représentés sur la photo de la figure 3.
Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 de la figure 4.
Les extrudés obtenus sont également caractérisés par les mesures suivantes : Analyses élémentaires : L'analyse élémentaire montre une bonne stoechiométrie Li/Al/CI correspondant à la composition d'une structure LiC1.2A1(OH)3,nH20 Al= 21,2 % masse ; Li= 4,2 % masse ; Cl;= 19 % masse. SBET : 3 m2/g Exemple 4 : test des extrudés obtenus au contact d'une saumure. La résistance mécanique des extrudés obtenus selon les exemples 1, 2 et 3 est testée au contact d'une solution de saumure.
Les différents résultats sont récapitulés dans le tableau 1. Tableau 1: protocole de MEF mis en oeuvre et aspect des extrudés correspondant Exemples 1 (non-conforme) 2 (non-conforme) 3 (selon l'invention) Étape de malaxage acide et Malaxage avec liant malaxage en présence de mise en basique/extrusion en inorganique, ciment + Cerfobol + extrusion forme présence de extrusion Cerfobol Filière 1 mm 1 mm 1,6, 0,8 mm Séchage final Étuve climatique, 25°C, 40°C, 12 h 98% d'eau Aspect des "extrudés" nombreuses fissures, Filière 0,8 mm : extrudés au présentant de extrudés qui contact de la nombreuses fissures deviennent poudre saumure qui se délitent vite 40°C : extrudés sans défauts apparents Phase en LiC1.2A1(OH)3,nH20 LiC1.2A1(OH)3,nH20 LiC1.2A1(OH)3,nH20 DRX Les extrudés obtenus selon l'invention (exemple 3), comparativement à ceux obtenus selon à des procédés de préparation non-conformes à l'invention, présentent une bonne cohésion, ne présentent pas ou peu de fissures qui pourraient provoquer un gonflement néfaste à la cohésion et à la tenue du matériau lorsque celui est mis au contact d'une solution saumure. Par ailleurs, lesdits extrudés selon l'invention restent intacts et produisent très peu de fines lorsqu'ils sont placés dans une solution de saumure. Exemple 5 : test de résistance mécanique par vieillissement accéléré sur table d'agitation des matériaux réalisés selon les exemples 2 (non conforme) et 3 (conforme). La résistance mécanique des extrudés des exemples 2 et 3 est testée par l'intermédiaire d'un protocole de vieillissement accéléré sur table d'agitation. Les extrudés de l'exemple 1 n'ont pas été testés selon le test de vieillissement.
Pour chaque lot issu des exemples 2 et 3, 5g d'extrudés et 25 mL de saumure naturelle sont placés dans un contenant cylindrique de capacité 60 mL. Ce contenant est fixé à la table d'agitation pendant toute la durée du test. La composition de la saumure naturelle utilisée lors de ce test est donnée dans le tableau 2.
Tableau 2: composition de la saumure naturelle utilisée pour le test de résistance mécanique Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Concentration (mol/L) 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 La table d'agitation est animée d'un mouvement unidirectionnel horizontal d'amplitude 4 cm à une vitesse de 190 mouvements par minute. Les extrudés sont ainsi agités pendant une durée totale de 168h. A l'issue de ces 168h, le mélange extrudés-saumure est tamisé à l'aide d'une grille de 315 i..tm. Puis les extrudés restant sur le tamis sont lavés avec de la saumure dont la composition est indiquée dans le tableau 2. La fraction liquide ainsi obtenue, contenant de fines particules solides (diamètre inférieur à 315 1..tm) en suspension, est filtrée à l'aide d'un Büchner équipé d'un papier filtre dont les pores ont une dimension de 0,45 pm. Le gâteau formé par l'agglomération des fines particules est lavé avec de l'eau déminéralisée.
Le résidu solide ainsi obtenu est séché en étuve à 50°C jusqu'à stabilisation de la masse. Le rapport de la masse de résidu solide sur la masse d'extrudé initiale est alors calculé, donnant accès à un pourcentage de destruction des extrudés.
Le pourcentage de destruction des extrudés de l'exemple 3, réalisés selon l'invention, est de 25%. Les extrudés non conforme issus de l'exemple 2 présentent quant à eux un pourcentage de destruction supérieur à 60%. Les photographies des extrudés de l'exemple 3 prises avant et après le test de vieillissement accéléré sur table d'agitation, obtenues à la loupe binoculaire (grossissement de 12), sont présentés sur les figures 5 et 6. Les extrudés en fin de test ne présentent aucun gonflement ni fissuration visible. Cette comparaison met en évidence une résistance mécanique accrue des extrudés au contact de la saumure due à l'invention.
Exemple 6 : test du matériau selon l'invention réalisé selon l'exemple 3 dans le procédé d'extraction du lithium selon l'invention. Le matériau selon l'invention préparé dans l'exemple 3 est introduit dans une colonne double enveloppe pour constituer un lit cylindrique de diamètre 2,5cm et de hauteur 30cm.
Le matériau est alors activé à température ambiante T=20°C par une solution de chlorure de lithium LiCI de concentration 0,02 mol/L en flux descendant à un débit de 3 BV/h. Le volume total de solution de LiCI utilisé est de 14 BV. Une fois l'étape d'activation terminée, le chargement est effectué à l'aide d'une saumure naturelle dont la composition est donnée dans le tableau 2. Tableau 2: composition de la saumure naturelle utilisée pour le chargement Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Concentration (mol/L) 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 Le chargement du matériau activé par adsorption est effectué par passage de la saumure naturelle sur ledit matériau activé, à une température de 60°C, la température étant maintenue à l'aide d'une circulation d'eau chauffée dans la double enveloppe, avec un débit de 3 BV/h en flux ascendant. Dans les conditions de l'exemple, la capacité d'adsorption du matériau est de 4,7 mg de Li/g de matériau solide sec pour un rendement de récupération du lithium de 93%.
A l'issue du chargement, l'étape de lavage est pratiquée en utilisant une solution aqueuse de chlorure de sodium. Cette solution est préparée à la saturation du chlorure de sodium NaCI à 20°C. La solution est ensuite chauffée à 60°C et passée à la même température en flux descendant dans la colonne à un débit de 3 BV/h pour une quantité totale de 4 BV. Puis on procède à l'étape de désorption du lithium par passage d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) de concentration 0,02 mol/L sur ledit matériau. Cette désorption est effectuée à une température de 20°C avec un débit de 3 BV/h et en flux descendant. L'éluat contenant le lithium est récupéré entre 0,75 et 2,25 BV. La composition de l'éluat ainsi que les facteurs de décontamination résultants sont résumés dans le tableau 3.
Tableau 3: composition de l'éluat et facteurs de décontamination X Na K Li Mg Ca B SO4 Sr Cl Composition (mol/L) 0,52 3,3.10-4 0,11 8,6.10-3 4,3.10-3 1,0.10-3 9,4.10-5 8,0.10-6 0,66 Facteur de 10 1000 - 15 10 50 500 90 10 décontamination Les concentrations en éléments dans la saumure et dans l'éluat sont déterminées par la méthode d'ICP optique connue de l'homme du métier. La concentration en chlorure dans l'éluat et la saumure sont déterminée par la méthode de chromatographie ionique connue de l'homme du métier. Le procédé d'extraction selon l'invention permet donc l'extraction sélective du lithium à partir de la saumure naturelle. La sélectivité par rapport au lithium est exprimée sous la forme d'un facteur de décontamination qui est égal au rapport molaire X/Li dans la saumure naturelle initiale divisé par le rapport molaire X/Li dans l'éluat et qui tient compte de l'apport extérieur de lithium par la solution de lavage. Les résultats obtenus indiquent que le solide préparé selon l'invention est particulièrement sélectif en potassium (K), en strontium (Sr) en bore (B) et en sulfates (SO4).
Exemple 7 : test des matériaux non-conformes à l'invention réalisés selon les exemples 1 et 2 dans un procédé d'extraction du lithium. Le matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 préparé selon l'exemple 1, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion est testé dans un procédé d'extraction du lithium opérant dans des conditions identiques à celles de l'exemple 6. Comme indiqué dans l'exemple 1, les extrudés obtenus sont friables et présentent de nombreuses fissures. Le matériau préparé dans l'exemple 1 est introduit dans une colonne double enveloppe identique à celle utilisée dans l'exemple 6. Cependant, dès l'étape d'activation du matériau, on constate l'apparition de poudre, entrainant rapidement le colmatage de la colonne et l'impossibilité de faire circuler la saumure. De la même manière, Le matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 préparé selon l'exemple 2, selon un procédé de synthèse non-conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte obtenue est réalisée par malaxage - extrusion en présence d'un liant inorganique de la famille des liants hydraulique ajouté pendant la phase de malaxage est testé dans un procédé d'extraction du lithium opérant dans des conditions identiques à celles de l'exemple 6. Comme indiqué dans l'exemple 2, les extrudés obtenus sont friables et présentent de nombreuses fissures. Après son introduction dans une colonne double enveloppe identique à celle utilisée dans l'exemple 6, et dès l'étape d'activation du matériau, on constate l'apparition de poudre, entrainant rapidement le colmatage de la colonne et l'impossibilité de faire circuler la saumure.
Les matériaux préparés selon un procédé de préparation non-conforme à l'invention ne permettent pas leur utilisation dans un procédé d'extraction sélective du lithium du fait de leur mauvaise cohésion.35
Claims (19)
- REVENDICATIONS1. Procédé de préparation d'un matériau solide cristallisé de formule LiCI.2A1(OH)3,nH2O avec n étant compris entre 0,01 et 10, ledit procédé comprenant au moins les étapes suivantes a) une étape de mélange, en milieu aqueux, d'au moins une source d'alumine et d'au moins une source de lithium pour obtenir une suspension, b) une étape de filtration de la suspension obtenue à l'étape a) pour obtenir une pâte, 10 c) une étape de séchage de la pâte obtenue à l'issue de l'étape b), à une température comprise entre 20 et 80`C pendant une d urée comprise entre 1h et 12h, d) une étape de mise en forme par malaxage - extrusion de ladite pâte séchée, en présence d'au moins un liant organique, et sans ajout d'acide ni de base à la pâte séchée introduite dans ladite étape d), pour obtenir des extrudés, 15 e) le séchage des extrudés obtenus à l'issue de l'étape d) à une température comprise entre 20 et 200CC pendant une durée compri se entre 1 et 20 heures, pour obtenir le matériau solide cristallisé de formule LiCI.2Al(OH)3,nH2O sous forme d'extrudés.
- 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la source d'alumine est le 20 trihydroxyde d'aluminium Al(OH)3.
- 3. Procédé selon l'une des revendications 1 ou 2 dans lequel la ou les source(s) de lithium est (sont) choisie(s) parmi le chlorure de lithium (LiCI), l'hydroxyde de lithium (Li0H) le nitrate de Lithium, (LiNO3), le sulfate de lithium (Li2SO4) et le carbonate de 25 lithium (Li2CO3), pris seuls ou en mélange.
- 4. Procédé selon la revendication 3 dans lequel la source de lithium est le chlorure de lithium (LiCI). 30
- 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel ledit ou lesdits liant(s) organique(s) utilisé dans l'étape d) de mise en forme sont choisi(s) parmi les paraffines et les polymères, pris seul ou en mélange.
- 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ledit ou lesdits liant(s) 35 organique(s) sont choisi(s) parmi le cerfobol, le méthylcellulose,l'hydroxypropylméthylcellulose, l'hydroxyéthylcellulose, le carboxymethylcellulose et l'alcool polyvinylique, pris seul ou en mélange.
- 7. Procédé selon l'une des revendications 5 ou 6 dans lequel la proportion dudit ou desdits liant(s) organique(s) ajoutée(s) dans ladite étape d) de mise en forme est comprise entre 0,1 et 20% en masse par rapport à la masse totale de pate sèche à mettre en forme.
- 8.- Matériau solide cristallisé de formule LiCI.2A1(OH)3,nH2O avec compris entre 0,01 et 10, sous forme d'extrudés.
- 9.- Matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec compris entre 0,01 et 10, sous forme d'extrudés, susceptible d'être obtenu selon un procédé tel que défini selon l'une quelconque des revendications 1 à 7.
- 10. Procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide tel que défini selon la revendication 7 ou 8.
- 11. Procédé d'extraction selon la revendication 10 dans lequel ledit procédé d'extraction du lithium comprend au moins les étapes suivantes : - une étape d'activation dudit matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, - une étape de chargement dudit matériau activé par adsorption réalisée par passage de ladite solution saline sur ledit matériau activé, - au moins une étape de lavage de la solution saline imprégnant ledit matériau par passage d'une solution de lavage sur ledit matériau, - une étape de désorption du lithium réalisée par passage d'eau ou d'une solution aqueuse de sel de lithium sur ledit matériau pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium.
- 12. Procédé d'extraction selon la revendication 11 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée par le passage ascendant ou descendant d'eau ou d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) ayant une concentration comprise entre 0,001 mol/L et 0,1 mol/L.35
- 13. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 12 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée à une température comprise entre 0CC et 90cC, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, BV/h signifiant volume occupé par le lit du solide dans une colonne par heure.
- 14. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 13 dans lequel ladite étape de chargement est effectuée à une température comprise entre 0CC et 90CC, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, BV/h signifiant volume occupé par le lit du solide dans une colonne par heure.
- 15. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 14 dans lequel ladite solution de lavage utilisée dans l'étape de lavage est une solution aqueuse de chlorure de sodium (NaCI) comprenant éventuellement du chlorure de lithium (LiCI) ou de l'eau.
- 16. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 15 dans lequel ladite étape de lavage est réalisée à une température comprise entre WC et 90CC, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, BV/h signifiant volume occupé par le lit du solide dans une colonne par heure.
- 17. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 16 dans lequel ladite étape de désorption est réalisée par passage ascendant ou descendant, d'eau ou d'une solution de chlorure de lithium (LiCI) contenant de 0,001 mol/L à 2 mol/L de LiCI.
- 18. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 11 à 17 dans lequel ladite étape de désorption est réalisée à une température comprise entre 0CC et 90CC, et à un débit compris entre 0,1 BV/h et 30 BV/h, BV/h signifiant volume occupé par le lit du solide dans une colonne par heure.
- 19. Dispositif d'extraction de lithium caractérisé en ce qu'il comprend une unité comprenant au moins une colonne, ladite colonne comprenant au moins une garniture comprenant le matériau solide cristallisé de formule LiCI:2A1(OH)3,nH2O avec n étant compris entre 0,01 et 10, mis en forme tel que défini à la revendication 8 ou 9.
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