工程是科學(xué)和數(shù)學(xué)的某種應(yīng)用，通過(guò)這一應(yīng)用，使自然界的物質(zhì)和能源的特性能夠通過(guò)各種結(jié)構(gòu)、機(jī)器、產(chǎn)品、系統(tǒng)和過(guò)程，是以最短的時(shí)間和最少的人力、物力做出高效、可靠且對(duì)人類(lèi)有用的東西。下面，小編為大家分享跟工程有關(guān)的論文，希望對(duì)大家有所幫助!
摘 要：1817 年發(fā)現(xiàn)的不僅密度最小而且其化學(xué)性質(zhì)也相對(duì)活潑的固態(tài)堿性金屬被正式命名為鋰，到目前為止，金屬鋰因?yàn)槠涮赜械幕瘜W(xué)性質(zhì)成為了最為理想的高能電池負(fù)極材料，而其化合物逐漸被應(yīng)用在冶金、石油、化工、有機(jī)合成、高能電池、醫(yī)藥、陶瓷、玻璃以及日用品等各種行業(yè)中發(fā)揮著不可替代的作用。由于各種產(chǎn)品對(duì)金屬鋰純度的要求非常高，因此傳統(tǒng)的電解還原法制備金屬鋰已經(jīng)不能滿足人們的需求而且其反應(yīng)能耗大，污染環(huán)境，因而對(duì)高純金屬鋰的精煉工藝的改進(jìn)也就顯得格外重要。
關(guān)鍵詞：高純金屬鋰;精煉工藝;改進(jìn)。
目前，我國(guó)工業(yè)方面對(duì)金屬鋰的要求雖然不統(tǒng)一，但是一般情況下在鋰電池以及鋰合金等反面對(duì)鋰的純度要求是要大于 99.9%,對(duì)于核工業(yè)以及航天工業(yè)上對(duì)鋰的純度要求則會(huì)更高。而傳統(tǒng)的電解法得到的金屬鋰的純度僅為 94% ~ 98%,因此這種方法顯然已經(jīng)不能滿足我們的需求，因而在對(duì)傳統(tǒng)電解法得到的金屬鋰在應(yīng)用之前會(huì)重新進(jìn)行熔融精煉。雖然這種辦法使得鋰的純度得到提高，但是由于其會(huì)在電解時(shí)產(chǎn)生大量的毒性氣體不利于環(huán)保，而且對(duì)設(shè)備以及原料有著很高的要求，工藝復(fù)雜，投資大等特點(diǎn)，因此對(duì)其進(jìn)行改進(jìn)以及開(kāi)發(fā)新的精煉工藝方法是有著非常重要作用的。
1 對(duì)金屬鋰進(jìn)行高純度精煉的作用。
金屬鋰是在 1817 年由瑞典化學(xué)家阿·阿爾夫維特桑在一種稀有的巖石中發(fā)現(xiàn)的。而如今隨著我國(guó)的科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)于金屬鋰的開(kāi)發(fā)利用技術(shù)也在不斷得到提高。目前金屬鋰不僅被廣泛的應(yīng)用到電池、陶瓷、玻璃等工業(yè)反面，也被應(yīng)用到了核工業(yè)以及航天事業(yè)等高科技行業(yè)。由于我國(guó)傳統(tǒng)陶瓷不僅對(duì)能量的要求很高還，對(duì)環(huán)境造成了很大的污染，而碳酸鋰不僅可以滿足減小相同質(zhì)量的陶瓷對(duì)能量的消耗而且降低了對(duì)環(huán)境的污染，因而使得我國(guó)對(duì)金屬鋰的需求逐漸增高。與此同時(shí)，鋰在玻璃的生產(chǎn)過(guò)程中的作用也在不斷的被發(fā)現(xiàn)。雖然鋰電池是金屬鋰的最大消費(fèi)領(lǐng)域但是如今玻璃和陶瓷行業(yè)已成為鋰的第二大消費(fèi)領(lǐng)域。
由于金屬鋰其物理性質(zhì)(例如比熱容大、熱導(dǎo)率高、密度小、液相溫度范圍較寬)等特點(diǎn)，因此其可以在核聚變反應(yīng)或核裂變反應(yīng)堆中起到很好的制冷作用。而其化合物溴化鋰則也具備了鋰的“制冷”特性，從而也被廣泛的應(yīng)用到空調(diào)，制冷和空氣凈化等方面。
鋰及其化合物因其燃燒度高、火焰寬、發(fā)熱量大等特點(diǎn)，而被用于火箭、飛機(jī)等大型設(shè)備上。在農(nóng)業(yè)方面，鋰可以制造“鋰鹽肥料”而用于防治西紅柿腐爛和小麥銹穗病等。金屬鋰不僅在工業(yè)上對(duì)人們有所幫助，而且在工業(yè)等方面都影響著人們的生活。我國(guó)的金屬鋰礦產(chǎn)資源豐富，因此對(duì)其進(jìn)行精煉提純不僅可以使我國(guó)金屬資源得到充分的利用，還可以應(yīng)用鋰在工業(yè)方面的作用進(jìn)一步降低對(duì)環(huán)境的污染等。
2 高純金屬鋰精煉工藝以及改進(jìn)方法。
如今，國(guó)際上已經(jīng)研究出了新的鋰生產(chǎn)以及精煉的方法，逐漸由傳統(tǒng)的巖礦產(chǎn)轉(zhuǎn)向鹽湖鹵水提鋰，而在此反應(yīng)過(guò)程中得到的最便宜和最初級(jí)的產(chǎn)品碳酸鋰可以直接用于熱還原法制鋰。熱還原法生產(chǎn)鋰其生產(chǎn)過(guò)程雖然具有間歇性、生產(chǎn)耗能高等缺點(diǎn)，并且對(duì)于反應(yīng)爐采用高溫、真空等條件所以也就需要選擇成本較為昂貴的特殊材質(zhì)，但是與真空熱還原法精煉金屬鋰的整體工藝相比較，其反應(yīng)對(duì)原料要求低而且在整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中無(wú)毒、無(wú)污染，其產(chǎn)品純度也將會(huì)達(dá)到 99.9% 及以上。以下就以真空熱還原―蒸餾法為例進(jìn)行闡述。
3 真空熱還原 - 蒸餾法制備高純金屬鋰工藝以及改進(jìn)。
真空熱還原 - 蒸餾法提純金屬鋰是基于礦物質(zhì)中鋰以及其中雜質(zhì)在一定的溫度下會(huì)具有不同的蒸氣壓，因而在這個(gè)條件下，依據(jù)各物質(zhì)組成成分的蒸發(fā)速度以及冷凝速度的差異，是雜質(zhì)等成分有效的與金屬鋰達(dá)到分離及提純的目的。
在此次熱還原―蒸餾法反應(yīng)過(guò)程中，其各組分元素在液相和氣相中的分布規(guī)律是根據(jù)相對(duì)揮發(fā)度的大小來(lái)進(jìn)行判斷的。如果將液態(tài)金屬鋰蒸餾視為理想溶液蒸餾，則相對(duì)揮發(fā)度為：
α=p1/p2 (1)。
式中：α 為相對(duì)揮發(fā)度，p1、p2 分別為雜質(zhì)元素和金屬鋰的蒸氣壓力。
根據(jù)實(shí)際反應(yīng)規(guī)律來(lái)看，在 1073K 溫度下鉀、鈉的相對(duì)揮發(fā)度比鋰大，容易揮發(fā);而鐵、硅、鋁的.相對(duì)揮發(fā)度比鋰小，難以揮發(fā);而鈣和鎂的相對(duì)揮發(fā)度與鋰相差較小，難以用蒸餾法除去。因此文章采用新的蒸餾方法即真空蒸餾法。
本方法提純金屬鋰其反應(yīng)爐則選擇銹鋼制造。并且經(jīng)過(guò)電解后的金屬鋰從粗鋰熔化罐中加到鋰蒸餾爐內(nèi)，熔化后流入蒸餾坩堝中。在其相對(duì)揮發(fā)度大于 1 的時(shí)候，鉀、鈉蒸發(fā)速度較快，經(jīng)過(guò)冷凝分離之后，回收到蒸餾罐溫度較低的上部。而在相對(duì)揮發(fā)度小于 1 的情況下，高熔點(diǎn)雜質(zhì)則會(huì)大部分殘留在蒸餾坩堝中。對(duì)傳統(tǒng)的蒸餾爐進(jìn)行這樣的改造加工，不僅起到了過(guò)濾、蒸餾、精餾、低溫蒸餾的作用而且還可以通過(guò)過(guò)濾等簡(jiǎn)單的方法除去在電解金屬鋰的過(guò)程中的氧化物等不熔化合物，起到了一舉多得的作用。
當(dāng)蒸餾坩堝的溫度達(dá)到 973 ~ 1073K 時(shí)，金屬鋰則會(huì)從坩堝中揮發(fā)出來(lái)，并受到上部低溫罐體的作用下冷凝變成液態(tài)再次回流到罐底，而回流到罐底的熔融金屬鋰，依然還存在著低溫蒸餾的作用。因此不僅在回流過(guò)程中熔融金屬鋰不斷的與罐壁、冷凝罩和金屬蒸氣進(jìn)行熱交換和物質(zhì)交換，甚至到放入純鋰接收罐的整個(gè)過(guò)程中，金屬鋰均處于蒸餾提純狀態(tài)。因此采用此方法進(jìn)行金屬鋰的提純，金屬鋰的純度可達(dá) 99.9% ~ 99.99%.蒸餾前電解金屬鋰的成分以及蒸餾爐的材質(zhì)結(jié)構(gòu)都會(huì)成為影響金屬鋰純度的影響因素。要想盡可能使得金屬鋰純度高，則其原料純度也要高。
雖然本方法得到的金屬鋰純度相對(duì)較高，但也有著許多需要改進(jìn)的地方。例如由于這種蒸餾方法需要將鋰蒸發(fā)，因而其電能消耗大，蒸餾效率低;另外，由于蒸餾溫度過(guò)高，因此會(huì)使其熔體造成嚴(yán)重的腐蝕。為了克服金屬鋰在熱還原―真空蒸餾法提純過(guò)程中的缺點(diǎn)，采取一種經(jīng)濟(jì)可行的辦法來(lái)提純金屬鋰，即先提純氯化鋰，通過(guò)簡(jiǎn)單的工藝來(lái)除去高沸點(diǎn)鈣、硅、鐵、鋁等雜質(zhì)，然后再應(yīng)用電解法來(lái)提純純度較高的氯化鋰，從而在低溫條件下進(jìn)行蒸餾來(lái)除鉀、鈉的熔融金屬鋰。為使得提純金屬鋰的蒸餾效率得到提高，可以在蒸餾設(shè)備上安裝電磁或機(jī)械攪拌器，以使得金屬鋰在不斷的攪拌下保持新鮮的表面，從而利于鉀、鈉的揮發(fā)。或者受到金屬鋰與個(gè)別雜質(zhì)蒸氣壓差別小的影響，選擇應(yīng)用高溫真空蒸餾法來(lái)提純金屬鋰，即是向熔融金屬鋰中加入少量 B2O3,然后于低溫、高真空下，在鉬制篩板的多級(jí)回流塔中進(jìn)行分餾提純。其反應(yīng)方程式為：
6Li+B2O3=3Li2O+2B (2)。
Li2O+Ca=CaO+2Li (3)。
4 采用熱還原―真空蒸餾法的優(yōu)點(diǎn)。
(1)本反應(yīng)工藝是還原和蒸餾反應(yīng)同時(shí)進(jìn)行的，有效的控制了熱還原以及蒸餾過(guò)程中的溫度和真空度，并且在同一設(shè)備中進(jìn)行了多次提純，可以直接起到制備和提純的作用，并且金屬鋰的純度可以達(dá)到 99.99% 左右。
(2)由于產(chǎn)品的制備和提純同時(shí)進(jìn)行反應(yīng)，因此可以有效的減少在反應(yīng)過(guò)程中物料的損失以及能耗，使得工藝過(guò)程變得相對(duì)簡(jiǎn)單。
(3)本反應(yīng)過(guò)程是在同一爐中進(jìn)行的，即將還原爐和蒸鎦爐結(jié)合在了一起，通過(guò)對(duì)爐體不同溫度的控制控制，從而將傳統(tǒng)單一的反應(yīng)爐變?yōu)榱司哂羞€原和蒸餾雙重作用的反應(yīng)爐。二次蒸餾爐由于其保護(hù)器和蒸餾器的作用，從而也使得傳統(tǒng)工藝生產(chǎn)過(guò)程中需要的真空過(guò)濾等設(shè)備數(shù)量減少，從而使得不僅提純工藝變得簡(jiǎn)化而且也提高了鋰的純度，設(shè)備也最大化的得到利用。
5 結(jié)束語(yǔ)。
如今，金屬鋰作為利用率相對(duì)高的金屬資源得到了越來(lái)越高的重視，核聚變發(fā)電等科技得到進(jìn)一步突破性進(jìn)展之后，作為其重要的金屬原料金屬鋰的需求也將會(huì)變得越來(lái)越多。現(xiàn)在除了繼續(xù)對(duì)鋰電池的發(fā)展之外，也將開(kāi)發(fā)研制第二代鋰燃料電池。在工業(yè)方面，金屬鋰在煉鋁以及我國(guó)航空事業(yè)的發(fā)展方面也將會(huì)得到迅速發(fā)展。由于世界礦石資源的豐富儲(chǔ)備，金屬鋰的作用也將會(huì)應(yīng)用到生活中的各個(gè)方面，雖然在提純金屬鋰的工藝上取得了很大的發(fā)展，但依然面臨著許多的問(wèn)題。如傳統(tǒng)的電解法的能耗和環(huán)境污染問(wèn)題，以及最新研制的真空還原法中金屬鋰固體熔渣的綜合利用問(wèn)題等都是需要解決的問(wèn)題。但是無(wú)論怎樣，根據(jù)目前的發(fā)展趨勢(shì)，真空熱還原法雖然存在著不足，但其依然是未來(lái)最具有發(fā)展前途的金屬鋰提純方法。
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