FR3015458A1 - Procede de preparation d'un materiau adsorbant mis en forme comprenant une etape de mise en forme en presence d'un liant mineral et procede d'extraction de lithium a partir de solutions salines utilisant ledit materiau - Google Patents
Procede de preparation d'un materiau adsorbant mis en forme comprenant une etape de mise en forme en presence d'un liant mineral 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 comprenant 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 précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution dans des proportions telles que le ratio molaire acide/Al est compris entre 0,01 et 1,2, pour obtenir des extrudés, et 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 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 préparé. 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
PROCEDE DE PREPARATION D'UN MATERIAU ADSORBANT MIS EN FORME COMPRENANT UNE ETAPE DE MISE EN FORME EN PRESENCE D'UN LIANT MINERAL 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 de précurseur d'un liant inorganique spécifique, 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. 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 mis en forme, avantageusement 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 précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution dans des proportions telles que le ratio molaire acide/AI est compris entre 0,01 et 1,2, après une étape de séchage opérant dans des conditions spécifiques, 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. Ledit matériau solide mis en forme est de bonne qualité, et présente une bonne cohésion, sans défaut apparent.
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 d'une pâte en présence d'au moins un précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution dans des proportions telles que le ratio molaire acide/A1 est compris entre 0,01 et 1,2, pour obtenir des extrudés, e) une étape de 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, avantageusement sous forme d'extrudés, de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n étant compris entre 0,01 et 10, de bonne qualité et sans défauts apparents, présentant une bonne cohésion. Un autre avantage du procédé de préparation selon l'invention est de permettre l'obtention d'un matériau solide cristallisé mis en forme, 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.
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 définies dans les exemples. En particulier, les termes « mis en forme » couvrent un matériau obtenu de préférence par extrusion (appelé extrudé).
Un critère essentiel du procédé de préparation selon l'invention est l'introduction dans l'étape d) de mise en forme par malaxage - extrusion, d'un précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution permettant la génération in situ d'un liant pendant l'étape de mise en forme. La génération in situ du liant permet l'obtention d'un matériau présentant des propriétés de résistance mécanique accrues, en particulier en terme de résistance mécanique notamment au contact de la saumure sous agitation. L'utilisation du matériau préparé selon l'invention dans un procédé d'extraction du lithium limite la production de particules fines issues du vieillissement des extrudés.
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 1h 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 défauts, c'est à dire sans fissures. 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'une formulation liante comprenant et de préférence constituée d'au moins un précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution dans des proportions telles que le ratio molaire acide/AI est compris entre 0,01 et 1,2, pour obtenir des extrudés.
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 dans un premier temps une étape de malaxage, généralement en présence d'au moins un liant ou composé précurseur de 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 précurseur solide d'alumine et au moins ledit acide en solution dans des proportions décrites 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. 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 choisi de préférence parmi les liants organiques et les liants inorganiques. Avantageusement, le matériau solide selon l'invention peut comprendre au moins un liant minéral et éventuellement au moins un liant organique. L'introduction dans l'étape d) de mise en forme, d'un précurseur solide d'alumine et d'un acide en solution permet la génération in situ d'un liant minéral résultant de la réaction du précurseur d'alumine et de l'acide introduit, au cours de ladite étape de mise en forme. Par ailleurs, le précurseur solide d'alumine et l'acide en solution doivent être introduits dans ladite étape d) dans les proportions telles que revendiquées. La génération dudit liant minéral résultant de la réaction du précurseur solide d'alumine et de l'acide introduit nécessite l'utilisation d'un précurseur solide d'alumine capable de se disperser majoritairement ou de se dissoudre majoritairement dans la solution acide employée. Le précurseur solide d'alumine est avantageusement choisi parmi les oxydes d'aluminium, les hydroxydes d'aluminium et les oxyhydroxydes d'aluminium solubles ou dispersibles dans la solution d'acide phosphorique, de préférence parmi les hydroxydes d'aluminium et les oxyhydroxydes d'aluminium. De manière très préférée, ledit précurseur solide d'alumine est un oxyhydroxyde d'aluminium et de manière plus préférée ledit précurseur solide d'alumine est la boehmite ou la pseudo-boehmite.
Ledit précurseur solide d'alumine se présente avantageusement sous forme de poudre constituée de particules solides présentant un diamètre médian, déterminé par granulométrie à diffraction laser, compris entre 9 et 80 um, de préférence compris entre 10 et 60 lm et de manière préférée entre 15 et 45 lm. Les particules du précurseur solide d'alumine sont avantageusement constituées d'agglomérats d'unités élémentaires, dites cristallites, dont les dimensions sont avantageusement comprises entre 2 et 150 nm, de préférence entre 4 et 150 nm et de manière préférée entre 4 et 100 nm déterminées par microscopie électronique à transmission (MET). La morphologie des cristallites, la taille et la manière dont les cristallites sont organisées, dépendent principalement de la voie de synthèse du précurseur d'alumine utilisé pour préparer lesdites particules micrométriques.
De préférence, la proportion du précurseur solide d'alumine ajoutée dans l'étape d) du procédé de préparation selon l'invention est comprise entre 0,5 et 50% en masse par rapport à la masse de pate sèche à mettre en forme, de préférence entre 2 et 30% en masse, et de manière préférée entre 3 et 25% en masse.
Conformément à l'étape d) du procédé de préparation selon l'invention, au moins un acide en solution est introduit dans le mélange. De préférence, l'acide est choisi parmi l'acide phosphorique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'acide acétique et l'acide citrique, seul ou en mélange. De manière très préférée, l'acide est l'acide phosphorique.
L'acide phosphorique est aussi appelé acide orthophosphorique. Le rôle de la solution d'acide est de promouvoir la formation d'une phase amorphe de liant minéral résultant de la réaction avec le précurseur solide d'alumine. De cette manière, les particules du précurseur solide d'alumine deviennent avec l'action de l'acide et de l'énergie mécanique apportée pendant l'étape d) de mise en forme du procédé de préparation du matériau selon l'invention, une phase amorphe de liant minéral Conformément à l'étape d) du procédé de préparation selon l'invention, l'acide ou les acides en solution est (sont) introduit(s) dans des proportions telles que le ratio molaire acide/AI est compris entre 0,01 et 1,2, et de préférence entre 0,05 et 1.
Dans le cas où l'acide introduit est l'acide phosphorique, il est introduit en solution dans des proportions telles que le ratio molaire P/A1 est compris entre 0,01 et 1,2, de préférence entre 0,3 et 1,0. Dans le ratio molaire P/A1, P provient de l'acide phosphorique introduit et Al provient du précurseur solide d'alumine. Le ratio molaire P/A1 spécifique tel que revendiqué correspond à une proportion d'acide phosphorique telle que le rapport de la masse d'acide introduit sur la masse de précurseur solide d'alumine introduit soit compris entre 30 et 225% en masse, de préférence entre 59 et 170% en masse.
L'emploi d'un ratio molaire acide/A1 compris entre 0,01 et 1,2, caractéristique d'une dissolution à rapport d'acide élevé, dans l'étape d) de mise en forme du procédé de préparation selon l'invention permet à la fois de former la phase amorphe de liant minéral résultant de la réaction avec le précurseur solide d'alumine, mais également, de faciliter la mise en forme par extrusion et d'augmenter la cohésion et la résistance mécanique des extrudés obtenus par le procédé de préparation selon l'invention. 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. 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.35 Les meilleures 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 comprise 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 LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, avantageusement sous forme d'extrudés, présente avantageusement une surface spécifique mesurée selon la méthode BET comprise entre 1 et 250 m2/g et de préférence entre 1 et 100 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 1, de préférence entre 0,1 et 0,5 et de manière préférée entre 0,1 et 0,4, obtenu selon l'invention, mis en forme, avantageusement 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 Les pics caractéristiques du précurseurs d'alumine sont présents également sur les diffractogramme des extrudés finaux en proportions variables, selon celle introduit lors de l'étape de mise en forme. 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. Le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, avantageusement, sous forme d'extrudés ainsi obtenu possède également d'excellentes propriétés de résistance mécanique.
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.
En particulier, le matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 mis en forme, avantageusement sous forme d'extrudés selon l'invention présente une résistance mécanique notamment au contact de la saumure sous agitation. Ainsi, l'utilisation du matériau préparé selon l'invention dans un procédé d'extraction du lithium limite la production de particules fines issues du vieillissement des extrudés.
Ceci est dû à l'effet combiné de la mise en oeuvre de l'étape de mise en forme par malaxage - extrusion en présence d'une formulation liante spécifique 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. 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).35 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 0°C 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 0°C 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. 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 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 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 cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple selon l'invention 1.
La figure 2 représente le diagramme de diffraction des rayons X du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple selon l'invention 1 La figure 3 représente une photo du matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 obtenu sous forme d'extrudés selon l'exemple 2 non-conforme à l'invention selon l'invention. L'invention est illustrée par les exemples suivants qui ne présentent, en aucun cas, un caractère limitatif.
Exemples: Exemple 1 (selon l'invention) : On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 selon un procédé de synthèse conforme à l'invention en ce que l'étape de mise en forme de la pâte est réalisée par malaxage/extrusion en présence d'au moins un précurseur solide d'alumine et de l'acide phosphorique en solution, pour obtenir des extrudés. 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 pour obtenir une pâte sèche. 22.16 g de pâte sèche à mettre en forme obtenue à l'issue du séchage sont ensuite introduites dans une cuve d'un malaxeur de type Brabender. Ensuite sont ajoutés 8,275 g d'une poudre de boehmite Pural SB3 représentant 25% masse de précurseur solide d'alumine par rapport à la masse de pâte sèche à extruder et 12,225 g d'acide phosphorique à 85% masse. La proportion d'acide phosphorique en solution est telle que le rapport de la masse d'acide introduit sur la masse de précurseur solide d'alumine soit de 168%. Le mélange est alors malaxé pendant 30 min.
La pâte obtenue est mise en forme par passage dans une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 0,8 mm de diamètre. Les extrudés obtenus sont ensuite séchés à 40°C pendant 12h.
Les extrudés obtenus sont caractérisés par les mesures suivantes : Une phase LiC1.2A1(OH)3,nH20 est détectée sur le diagramme de diffraction des rayons X des extrudés du matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n = 0,25 de la figure 2. Lesdits extrudés présentent une bonne cohésion et un aspect correct. Les extrudés obtenus sont représentés sur la photo de la figure 1. L'analyse élémentaire des extrudés obtenus montre également 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.
Les extrudés obtenus présentent une surface spécifique : SBET = 25 m2/g. Exemple 2 : (comparatif) On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n 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 en présence d'un liant inorganique de la famille des liants hydraulique ajouté pendant la phase de malaxage. 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 3, ils sont friables et présentent de nombreuses fissures.
Exemple 3 (comparatif) On prépare un matériau solide de formule LiC1.2A1(OH)3,nH20 avec n 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 selon la technique classique de malaxage acide/basique extrusion mise en oeuvre selon les connaissances de l'homme du métier. 1/ synthèse Al(OH)3 Dans un bécher refroidi 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 8 h 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. L'eau acidifiée avec de l'acide nitrique est 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, aucune pâte cohésive n'a pu être obtenue. Le solide mouillé obtenu est mis en forme à l'aide d'une extrudeuse piston (MTS), équipée d'une filière cylindrique de 1 mm de diamètre. Aucun extrudé intact n'a pu être obtenu. Les joncs obtenus sont très friables et n'ont aucune tenue dans la saumure. Exemple 4 : test de cohésion 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 mise en oeuvre et aspect des extrudés correspondants Exemples 1 (conforme) 2 (non- 3 (non-conforme) conforme) Étape de Malaxage Malaxage Malaxage acide mise en forme extrusion avec extrusion avec basique liant selon un liant ciment extrusion sans l'invention liant Filière 0,8 mm 1 mm 0,8 mm Séchage final 40°C, 12 h Étuve climatique, 25°C, 98% d'eau ou 40°C, 12h 40°C, 12 h extrudés (étape e) Aspect des extrudés au contact de la saumure Filière 0,8 mm nombreuses "joncs" qui se délitent vite fissures, extrudés qui deviennent poudre . 40°C : extrudés sans défauts apparents Phase en LiC1.2A1(OH)3, LiC1.2A1(OH)3, - DRX nH2O nH2O Les extrudés obtenus selon l'invention (exemple 1) 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 1 (conforme), 2 (non conforme) et 3 (non conforme).
La résistance mécanique des extrudés des exemples 1, 2 et 3 est testée par l'intermédiaire d'un protocole de vieillissement accéléré sur table d'agitation. Pour chaque lot issu des exemples 1, 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 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 (mol/L) 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 lm. 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 lm) en suspension, est filtrée à l'aide d'un Büchner équipé d'un papier filtre dont les pores ont une dimension de 0,45 lm. 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 1, réalisés selon l'invention, est de 15%. Les extrudés non conforme issus des exemples 2 et 3 présentent quant à eux un pourcentage de destruction respectivement de 60% et de 100%. 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 1 dans le procédé d'extraction du lithium selon l'invention.
Le matériau selon l'invention préparé dans l'exemple 1 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 4,4 0,24 0,068 0,086 0,040 0,031 0,035 0,001 4,89 (mol/L) 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 6 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 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 (mol/L) Facteur de 10 1000 - 15 10 40 500 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 Cl 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 2 et 3 dans un procédé d'extraction du lithium.
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.
Le matériau préparé dans l'exemple 2 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 3, 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 mise en oeuvre selon les connaissances de l'homme du métier 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.
Claims (22)
- REVENDICATIONS1. 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 d'une pâte en présence d'une formulation liante comprenant au moins un précurseur solide d'alumine et d'au moins un acide en solution dans des proportions telles que le ratio molaire acide/Al est compris entre 0,01 et 1,2, pour obtenir des extrudés, e) une étape de 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,n1-120 sous forme d'extrudés.
- 2. Procédé selon la revendication 1 dans lequel la source d'alumine est le trihydroxyde d'aluminium A1(01-1)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 (LiOH) le nitrate de Lithium, (LiNO3), le sulfate de lithium (Li2SO4) et le carbonate de 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).
- 5. Procédé selon l'une des revendications 1 à 4 dans lequel ledit précurseur d'alumine utilisé dans l'étape d) de mise en forme est choisi parmi les oxydes d'aluminium, les hydroxydes d'aluminium et les oxyhydroxydes d'aluminium solubles ou dispersibles dans la solution d'acide phosphorique.
- 6. Procédé selon la revendication 5 dans lequel ledit précurseur d'alumine est choisi parmi la boehmite ou la pseudo-boehmite.
- 7. Procédé selon l'une des revendications 1 à 6 dans lequel l'acide en solution introduit dans l'étape d) est choisi parmi l'acide phosphorique, l'acide chlorhydrique, l'acide nitrique, l'acide acétique et l'acide citrique, seul ou en mélange.
- 8. Procédé selon la revendication 7 dans lequel l'acide est l'acide phosphorique.
- 9. Procédé selon l'une des revendications 1 à 8 dans lequel la proportion du précurseur solide d'alumine est comprise entre 0,5 et 50% bri masse par rapport à la masse de pate sèche à mettre en forme.
- 10.- 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.
- 11.- Matériau solide cristallisé de formule LiC1.2A1(OH)3,n1-120 avec n étant 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 9.
- 12. Procédé d'extraction du lithium de solutions salines utilisant ledit matériau solide tel que défini à la revendication 10 ou 11. 20
- 13. Procédé d'extraction selon la revendication 12 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, 25 une étape de chargement dudit matériau activé par adsorption réalisée par passage de ladite solution saline sur ledit matériau activé, 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 30 aqueuse de sel de lithium sur ledit matériau pour obtenir un éluat comprenant au moins du lithium.
- 14. Procédé d'extraction selon la revendication 13 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée par le passage ascendant ou descendant d'eau ou d'une solution de chlorure de 35 lithium (LiCI) ayant une concentration comprise entre 0,001 mol/L et 0,1 mol/L.
- 15. Procédé d'extraction selon rune des revendications 13 à 14 dans lequel ladite étape d'activation est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, 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.
- 16. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 15dans lequel ladite étape de chargement dudit matériau activé par adsorption est réalisée par passage ascendant ou descendant, de la solution saline sur ledit matériau activé.
- 17. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 16dans lequel ladite étape de chargement est effectuée à une température comprise entre 0°C et 90°C, 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.
- 18. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 17dans 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.
- 19. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 18dans lequel ladite étape de lavage est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, 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.
- 20. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 19dans 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.
- 21. Procédé d'extraction selon l'une des revendications 13 à 20dans lequel ladite étape de désorption est réalisée à une température comprise entre 0°C et 90°C, 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.
- 22. 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 â la revendication 10 ou 11.
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