碳酸锂沉锂母液除杂的电化学反应装置及方法

本发明属于碳酸锂生产，具体涉及一种碳酸锂沉锂母液除杂的电化学反应装置及方法。

背景技术：

1、锂离子电池凭借高能量密度、长循环寿命和环境友好等优势，已广泛应用于电动汽车、储能系统及便携式电子设备等领域。电池级锂盐材料（如碳酸锂）作为正极材料与电解液的关键组分，其市场需求随新能源动力设备（如新能源汽车、电动船舶、港口运输车）及储能系统的快速发展而持续攀升。在正极材料合成过程中，碳酸锂提供必需的锂源，与过渡金属化合物或磷酸盐等前驱体经高温固相烧结反应，形成结构稳定且可逆嵌脱锂的活性材料，其纯度直接决定终端锂离子电池的综合性能。

2、在工业生产中，碳酸锂的结晶体系通常引入金属离子螯合剂，以络合母液中的钙、镁等杂质离子，防止其沉淀混入产品而影响碳酸锂纯度。然而，随着生产持续运行，母液不断循环加入，体系中螯合剂及被螯合离子不断富集，氯离子、亦同步累积。这些积累的杂质难以通过单一手段有效去除。例如，常规基于过硫酸盐活化的高级氧化技术及臭氧氧化技术虽可降解有机螯合剂，但由于引入外部氧化剂，难以精准控制氧化反应的发生位点，导致螯合剂氧化后钙、镁离子的释放过程无法被有效调控。释放出的游离钙、镁离子迅速与体系中新生的二氧化碳或已有碳酸根结合，生成不溶性碳酸盐并混入碳酸锂产品中，即便经过后续水洗和高温烘烤工序也难以去除，最终导致产品杂质含量升高。

3、此外，现有的碳酸锂生产提纯技术（如cn109179458b、cn117446836a、cn117942662a）多聚焦于后端工序的分离纯化，尚未涉及对碳酸锂沉淀反应结晶体系的原位除杂处理。若将常规高级氧化技术直接应用于该体系，一方面需依赖外源氧化剂，导致生产成本增加；另一方面，固体催化剂的散落易造成碳酸锂白料产品的污染，因而无法在结晶体系中直接应用。现有专利文献（如cn119638021b、cn121700426a、cn118497787a、cn112752868b）中公开的电化学降反应器无法在高盐高温下适用于同时降解有机物、氯离子和沉降钙镁离子的多重需求，一是结构设计复杂，二是难以实现快速高效电降解络合剂。

技术实现思路

1、鉴于背景技术中存在的问题，本申请提供一种碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置及方法。

2、为实现上述目的，本申请采用如下技术方案：

3、第一方面，提供一种碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，包括电解槽，以及设置于电解槽内的阴极、阳极、多孔隔板、阴极隔膜和阳极隔膜；

4、所述多孔隔板可升降地设置于阴极与阳极之间；

5、所述阴极包括阴极腔体和设置于阴极腔体内的阴极电极；

6、所述阳极包括阳极腔体和设置于阳极腔体内的阳极电极；

7、所述阴极腔体的表面设置有阴极隔膜，所述阳极腔体的表面设置有阳极隔膜；

8、所述阳极腔体底部设有进液口，所述阴极腔体的底部设有出液口；

9、所述阳极腔体与阴极腔体侧壁通过连通管连通；

10、所述阳极腔体顶部、阴极腔体顶部各自独立设置有进气口和出气口。

11、第二方面，提供一种碳酸锂生产系统母液除杂的方法，采用第一方面所述的电化学反应装置进行，包括：

12、碳酸锂生产母液通过阳极腔体底部泵入，流经阳极腔体内的电解液区、连通阳极腔体与阴极腔体的连通管、阴极腔体内的电解液区后，从阴极腔体底部连续排出；控制进液流量使电解液液面始终高于连通管并浸没隔膜；

13、启动电源进行电解，并通过升降多孔隔板调节其位置以控制欧姆极化产热，使阳极电极表面在进液温度和欧姆极化产热共同作用下处于持续加热状态；

14、在上述通电电解、加热和连续进液的条件下，阳极腔体的母液内发生电催化氧化反应，生成羟基自由基、过硫酸根和氯气，其中过硫酸根在高温酸性条件下分解产生硫酸根自由基和羟基自由基，对母液中的络合物进行氧化降解，生成二氧化碳和/或小分子有机物，部分氯气与部分二氧化碳从阳极腔体排出；

15、部分二氧化碳随母液经连通管进入阴极腔体，母液中残余的过硫酸根经电还原分解，伴生的羟基自由基继续氧化络合物并释放二氧化碳，二氧化碳与阴极区的强碱性环境配合沉降钙、镁杂质离子，反应产生的氢气从阴极腔体排出。

16、本发明的电化学反应器的原理：借助碳酸锂生产母液高温（90~95℃）条件，进一步通过有限空间的阴阳电极进行电解，同步借助腔室隔膜、阴阳电极中间的多孔隔板和流体流速控制增强阴阳极的电极极化，在电极腔室内进行剧烈的电解（母液高浓度）同时形成强烈的欧姆极化和积热，从而形成阳极腔室强酸性环境和阴极强碱性环境，强化阳极对络合物的降解作用；同时阴阳极有限的电解腔室，可以确保电极负极的溶液处于强积热状态，电极表面温度高于体相溶液。一方面碳酸锂生产母液进液温度已经达到90~95℃，经过欧姆极化产热，可以使得电极表面处于不断加热状态，近表面的强烈电解水反应生成大量的羟基自由基，对溶液中的络合剂产生强的亲核反应；同时，硫酸根在电极表面发生氧化反应，生成过硫酸根，但由于电极表面积热高温环境，部分过硫酸根在酸性条件下受热快速分解，生成硫酸根自由基和羟基自由基，能够不依赖电极对络合物进行强氧化反应除杂，降解和矿化生成小分子和/或二氧化碳。同步可以在阳极上对氯离子进行氧化，生成氯气除去。反应后的溶液通过连通管进入阴极，强碱性环境下，阳极气体经过脱氯后进入阴极与钙镁离子反应生成沉淀，从腔室底部随液体排出进行过滤除去；在阴极同步进行的反应还有过硫酸电还原分解生成硫酸根，避免过硫酸根在碳酸锂母液中积累，同时伴生羟基自由继续氧化络合物生成二氧化碳，同步沉降钙镁等杂质离子。

17、与现有技术相比，上述技术方案之一或多个技术方案能达到至少以下有益效果之一：

18、本发明利用碳酸锂生产母液的高温，进一步通过隔膜/多孔隔板在有限腔室内形成强热效应，结合电解过程中装置自产的氧化剂和沉淀剂，既能提升降解效率，去除母液中的络合物，还能同步除去钙镁离子，又能避免中间产物（过硫酸根）在系统的积累，无需外加药剂和加热，实现络合物降解与钙镁同步去除，除杂效率高且运行成本低。

1.一种碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，包括电解槽，以及设置于电解槽内的阴极、阳极、多孔隔板、阴极隔膜和阳极隔膜；

2.如权利要求1所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述阳极电极包括阳极导杆和阳极电极主体，所述阳极导杆设于所述阳极电极主体的顶部且延伸至所述阳极腔体外部与外部电路电连接；

3.如权利要求2所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述连通管与阳极腔体、阴极腔体的连通口分别位于阳极腔体与阴极腔体的上部；所述连通管的顶部略低于电解液液面；

4.如权利要求1所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述阴极电极包括阴极导杆和阴极电极主体；所述阴极导杆设于所述阴极电极主体的顶部且延伸至所述阴极腔体外部与外部电路电连接；

5.如权利要求1所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述多孔隔板隔挡的面积大小由多孔隔板上升或者下降实现调节；

6.如权利要求1所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述阳极腔体顶部的出气口通过第一出气管路与排风机连接；

7.如权利要求1所述的碳酸锂生产系统母液除杂的电化学反应装置，其特征在于，所述进液口与进液管路连通，所述进液管路上设置有进液泵；

8.一种碳酸锂生产系统母液除杂的方法，其特征在于，采用权利要求1~7任一项所述的电化学反应装置进行，包括：

9.如权利要求8所述的碳酸锂生产系统母液除杂的方法，其特征在于，经处理后的母液从阴极腔体底部的出液口经出液泵送入过滤器，过滤除去反应生成的沉淀物后，返回碳酸锂生产系统。

10.如权利要求8所述的碳酸锂生产系统母液除杂的方法，其特征在于，所述电解的电压为2~60v；所述电解的电流密度为1~400a/m2；母液流经阳极电极表面的流速为0.1~20l/min。