Lithium là một trong những khoáng chất quan trọng nhất trong ngành năng lượng tái tạo hiện nay. Khi xe điện, hệ thống lưu trữ năng lượng và pin lithium-ion tiếp tục mở rộng trên toàn thế giới, nhu cầu lithium toàn cầu ngày càng tăng nhanh.

Trong số các khoáng chất chứa lithi tự nhiên, spodumene và lepidolite hiện là những nguồn có giá trị thương mại cao nhất để khai thác lithi.

Tuy nhiên, quặng lithium thô không thể được sử dụng trực tiếp trong sản xuất pin. Để sản xuất tinh quặng lithium chất lượng cao, quặng lithium đá cứng phải trải qua quy trình tuyển khoáng hoàn chỉnh, thường bao gồm nghiền, xay, tuyển khoáng và sấy khô.

Do quặng lithi chứa các thành phần khoáng chất và tạp chất khác nhau, việc lựa chọn phương pháp chế biến phù hợp là rất quan trọng để nâng cao hiệu quả thu hồi và chất lượng tinh quặng.

Bài viết này giải thích các phương pháp chế biến quặng lithium hiệu quả nhất, quy trình tuyển quặng hoàn chỉnh và các thiết bị chính được sử dụng trong các nhà máy chế biến lithium hiện đại.

1. Xây dựng nhà máy chế biến quặng lithi hiệu quả

Xây dựng một nhà máy chế biến quặng lithium thành công không chỉ đơn thuần là lắp đặt thiết bị khai thác. Mỗi dự án lithium đều có đặc điểm quặng, mức độ tạp chất, mục tiêu sản xuất và yêu cầu về tinh quặng khác nhau. Do đó, quy trình tuyển quặng phải luôn được điều chỉnh cẩn thận theo điều kiện quặng thực tế.

Một nhà máy chế biến lithium hoàn chỉnh thường bao gồm:

Máy nghiền hàm
Máy nghiền côn
Sàng rung
Máy nghiền bi
Máy tuyển nổi
Máy tách từ
Máy sấy trống quay
Hệ thống vận chuyển và phân loại

Mục đích chính của nhà máy là tách các khoáng chất lithium có giá trị khỏi các khoáng chất tạp chất, đồng thời giảm thiểu tối đa lượng lithium bị thất thoát trong quá trình chế biến.

Một số quặng lithi chứa lượng lớn tạp chất sắt, trong khi những quặng khác có thể chứa các khoáng chất silicat mịn khó tách. Do đó, việc sử dụng quy trình sản xuất được thiết kế khoa học là vô cùng quan trọng để đạt được chất lượng tinh quặng ổn định và hiệu quả hoạt động lâu dài.

Một nhà máy tuyển quặng lithium được thiết kế tốt có thể cải thiện đáng kể tỷ lệ thu hồi lithium, giảm tiêu thụ năng lượng và giảm chi phí sản xuất tổng thể.

2. Bước 1: Tiến hành xét nghiệm khoáng chất

Trước khi xây dựng nhà máy chế biến lithium, một trong những bước quan trọng nhất là tiến hành phân tích khoáng vật học chuyên nghiệp và thử nghiệm tuyển quặng.

Nhiều dự án không đạt được kết quả sản xuất như mong đợi vì đặc tính quặng không được hiểu rõ đầy đủ trong giai đoạn thiết kế ban đầu. Nếu không được thử nghiệm đúng cách, hệ thống chế biến có thể gặp phải các vấn đề như tỷ lệ thu hồi thấp, chất lượng tinh quặng không ổn định hoặc chi phí vận hành quá cao.

Việc phân tích khoáng chất toàn diện giúp các kỹ sư đánh giá:

Độ cứng của quặng
Loại lithium
khoáng chất đi kèm
Mức độ tạp chất sắt và magiê
Đặc điểm phân bố hạt
Các công nghệ làm giàu phù hợp

Kết quả thử nghiệm này cung cấp nền tảng kỹ thuật để thiết kế giải pháp xử lý hiệu quả và tiết kiệm nhất.

Ví dụ, một số quặng spodumene phản ứng rất tốt với phương pháp tuyển nổi, trong khi một số quặng lepidolite có thể phù hợp hơn với phương pháp tuyển từ. Việc kiểm tra khoáng sản cũng giúp xác định độ mịn khi nghiền, hệ thống thuốc thử, lựa chọn thiết bị và công suất sản xuất dự kiến.

Việc tiến hành các thử nghiệm tuyển khoáng trước khi xây dựng nhà máy giúp tránh đầu tư không cần thiết và giảm nguy cơ lãng phí tài nguyên trong quá trình vận hành sau này.

3. Bước 2: Dây chuyền sản xuất nghiền và xay

Nghiền sơ cấp và thứ cấp

Sau khi khai thác, quặng lithium thô thường được vận chuyển dưới dạng các khối đá lớn, quá khổ để có thể xử lý tuyển khoáng trực tiếp.

Do đó, giai đoạn đầu tiên bao gồm các hoạt động nghiền.

Quá trình nghiền sơ cấp thường được thực hiện bằng máy nghiền hàm. Máy nghiền hàm có khả năng xử lý các loại quặng lớn và cứng trong khi vẫn duy trì hiệu suất hoạt động ổn định.

Sau quá trình nghiền thô, vật liệu sẽ được đưa vào quá trình nghiền thứ cấp, thường được thực hiện bằng máy nghiền côn. Máy nghiền côn tiếp tục làm giảm kích thước hạt và giúp tạo ra nguyên liệu đầu vào đồng nhất hơn cho các hoạt động nghiền.

Trong quá trình nghiền, sàng rung được sử dụng để kiểm soát kích thước hạt cuối cùng. Tại hầu hết các nhà máy chế biến lithium, vật liệu nghiền được kiểm soát ở các kích thước sau:

15 mm

Kiểm soát kích thước hạt chính xác là vô cùng quan trọng vì vật liệu quá lớn có thể làm giảm hiệu quả nghiền và tăng mức tiêu thụ điện năng trong các giai đoạn xử lý sau này.

Quy trình nghiền ướt

Sau khi nghiền thô, quặng lithi bước vào giai đoạn xay mịn, đây là một trong những công đoạn quan trọng nhất trong quá trình giải phóng khoáng chất.

Mục đích chính của quá trình nghiền là tách hoàn toàn các khoáng chất chứa lithi ra khỏi các khoáng chất tạp chất xung quanh. Nếu các khoáng chất không được tách biệt đầy đủ, hiệu suất tuyển nổi và chất lượng quặng tinh có thể giảm đáng kể.

Quá trình nghiền ướt thường được thực hiện bằng cách sử dụng:

Máy nghiền bi

Bên trong máy nghiền bi, các hạt mài bằng thép liên tục va đập và nghiền quặng thành các hạt mịn.

Để đảm bảo hiệu quả tuyển nổi, độ mịn của vật liệu nghiền thường được kiểm soát ở mức dưới:

Các hệ thống nghiền hiện đại thường được kết hợp với các thiết bị tách ly tâm thủy lực hoặc thiết bị phân loại để tạo ra quy trình nghiền khép kín. Điều này giúp cải thiện khả năng kiểm soát kích thước hạt và giảm thiểu tình trạng nghiền quá mức.

Hệ thống nghiền được thiết kế đúng cách có thể cải thiện đáng kể khả năng thu hồi lithium đồng thời duy trì hiệu suất sản xuất ổn định.

4. Bước 3: Dây chuyền sản xuất tuyển khoáng

Giai đoạn tuyển quặng là cốt lõi của quá trình chế biến quặng lithi vì nó trực tiếp quyết định độ tinh khiết và hàm lượng của sản phẩm lithi cô đặc cuối cùng.

Một trong những thách thức lớn nhất trong quá trình làm giàu quặng là loại bỏ các tạp chất có hại như sắt và magiê. Những tạp chất này đặc biệt gây vấn đề đối với các sản phẩm lithium dùng cho pin vì chúng có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý hóa học tiếp theo và hiệu suất của pin.

Để nâng cao chất lượng tinh quặng, các nhà máy sản xuất lithium hiện đại thường kết hợp nhiều công nghệ tuyển quặng khác nhau.

Các phương pháp phổ biến nhất bao gồm:

Tách tuyển nổi
Tách từ tính

Các tổ hợp tuyển quặng khác nhau được lựa chọn tùy thuộc vào loại quặng và thành phần khoáng chất.

5. Tuyển nổi - Phương pháp chính để làm giàu lithium

Hiện nay, tuyển nổi là phương pháp làm giàu quặng lithium trong đá cứng được sử dụng rộng rãi nhất, đặc biệt là quặng spodumene.

Quá trình tuyển nổi hoạt động bằng cách thay đổi các đặc tính bề mặt của khoáng chất thông qua các chất phản ứng hóa học, cho phép các khoáng chất lithi tách ra khỏi các khoáng chất không phải lithi.

Hầu hết các hệ thống tuyển nổi hoạt động trong môi trường kiềm vì điều kiện kiềm giúp ổn định quá trình tuyển nổi đồng thời giảm ăn mòn thiết bị.

5.1 Phương pháp tuyển nổi quặng Liti

Tuyển nổi dương là một trong những phương pháp làm giàu quặng spodumene phổ biến nhất.

Trong quy trình này, các khoáng chất lithi được tuyển nổi vào lớp quặng tinh trong khi các khoáng chất tạp chất không mong muốn vẫn nằm trong bể tuyển nổi.

Quá trình này thường bắt đầu bằng việc thêm các chất kiềm mạnh như:

Natri hydroxit
Natri cacbonat

Sau đó, hỗn hợp bùn được khuấy mạnh và chà rửa để cải thiện điều kiện bề mặt khoáng chất.

Sau đó, các chất thu gom như axit oleic hoặc xà phòng oleat được thêm vào. Các chất phản ứng này sẽ liên kết chọn lọc với các khoáng chất lithi, cho phép chúng nổi lên cùng với các bọt khí và tạo thành bọt cô đặc lithi.

Tùy thuộc vào đặc điểm của quặng, các nhà máy tuyển nổi có thể sử dụng các trình tự thêm thuốc thử và bố trí các giai đoạn tuyển nổi khác nhau để tối đa hóa hiệu quả thu hồi lithium.

Tuyển nổi dương được sử dụng rộng rãi vì nó có thể đạt được tỷ lệ thu hồi lithium tương đối cao và chất lượng quặng tinh ổn định đối với quặng spodumene.

5.2 Phương pháp tuyển nổi ngược quặng Liti

Tuyển nổi ngược sử dụng nguyên lý tách khác.

Thay vì tuyển nổi khoáng chất lithium, phương pháp này tuyển nổi các khoáng chất tạp chất ra khỏi quặng tinh.

Trong quá trình tuyển nổi ngược, vôi được sử dụng để tạo môi trường kiềm. Sau đó, các chất ức chế như tinh bột và dextrin được thêm vào để ức chế các khoáng chất lithi và ngăn chúng nổi lên.

Đồng thời, các chất thu gom cation amin được sử dụng để làm nổi các khoáng chất silicat tạp chất vào lớp bọt.

Kết quả là, các khoáng chất tạp chất được loại bỏ trong khi tinh quặng lithium vẫn còn lại bên trong bể tuyển nổi.

Tuyển nổi ngược đặc biệt hiệu quả đối với quặng chứa các tạp chất silicat phức tạp khó loại bỏ bằng các phương pháp tuyển nổi thông thường.

6. Tách từ

Tách từ tính như một phương pháp hỗ trợ

Tại nhiều nhà máy tuyển khoáng lithium, phương pháp tách từ được sử dụng sau quá trình tuyển nổi để loại bỏ các tạp chất sắt còn sót lại khỏi tinh quặng lithium.

Giai đoạn này đặc biệt quan trọng đối với việc sản xuất tinh quặng lithium dùng cho pin vì hàm lượng sắt quá cao có thể làm giảm độ tinh khiết của các hóa chất lithium ở các công đoạn tiếp theo.

Nhiều nhà máy sử dụng các thiết bị tách từ có độ dốc cao, chẳng hạn như thiết bị tách từ xung vòng thẳng đứng, để nâng cao hiệu quả loại bỏ tạp chất.

Mặc dù quá trình tách từ thường được coi là một công đoạn phụ trợ, nhưng nó đóng vai trò quan trọng trong việc nâng cao chất lượng sản phẩm tinh chế cuối cùng.

Tách từ tính là phương pháp tuyển khoáng chính.

Đối với một số khoáng chất lithi có từ tính yếu như lepidolite, phương pháp tách từ cũng có thể được sử dụng làm phương pháp làm giàu chính.

So với các hệ thống tuyển nổi, phương pháp tách từ có thể giảm lượng hóa chất tiêu thụ và đơn giản hóa hoạt động của nhà máy trong điều kiện quặng phù hợp.

Tuy nhiên, việc lựa chọn quy trình cuối cùng vẫn phụ thuộc rất nhiều vào các thử nghiệm khoáng vật học chi tiết và các thí nghiệm làm giàu quặng.

7. Bước 4: Dây chuyền sản xuất sấy khô

Sau quá trình tuyển nổi, quặng lithium thường chứa hàm lượng ẩm tương đối cao cần được loại bỏ trước khi lưu trữ, vận chuyển hoặc xử lý hóa học tiếp theo.

Do đó, giai đoạn sấy khô là một phần thiết yếu của nhà máy chế biến lithium.

Hầu hết các loài thực vật sử dụng:

Máy sấy trống quay

Để giảm độ ẩm một cách hiệu quả.

Bên trong máy sấy quay, không khí nóng liên tục tiếp xúc với chất cô đặc ẩm trong khi trống quay đảm bảo hiệu quả sấy đồng đều.

Sau khi sấy khô, hàm lượng ẩm thường có thể giảm xuống dưới mức:

và trong một số ứng dụng thậm chí còn thấp hơn:

Kích thước hạt của sản phẩm cô đặc cuối cùng thường được kiểm soát như sau:

Sau khi sấy khô, quặng lithium cô đặc có thể được đưa vào các quy trình công nghiệp bổ sung như nung, xử lý hóa học, tinh chế và kết tinh để sản xuất lithium cacbonat hoặc lithium hydroxit dùng trong sản xuất pin.

8. Tại sao các phương pháp tuyển khoáng kết hợp ngày càng trở nên quan trọng

Thành phần quặng lithi trên toàn thế giới ngày càng trở nên phức tạp.

Một số quặng chứa khoáng chất lithi dạng hạt mịn, trong khi những quặng khác có thể chứa hàm lượng cao các tạp chất sắt, mica hoặc silicat. Do sự phức tạp này, việc chỉ dựa vào một phương pháp làm giàu duy nhất thường không đủ để sản xuất tinh quặng lithi chất lượng cao.

Do đó, các nhà máy sản xuất lithium hiện đại ngày càng áp dụng các hệ thống tuyển khoáng kết hợp tích hợp:

Nghiền nát
Nghiền
Tuyển nổi
Tách từ tính
Sấy khô

thành một quy trình sản xuất hoàn chỉnh.

Việc kết hợp các công nghệ tuyển khoáng cho phép các nhà máy chế biến nâng cao hiệu quả thu hồi, giảm mức độ tạp chất và thích ứng hiệu quả hơn với các đặc điểm quặng khác nhau.

Phần kết luận

Lithium đã trở thành một trong những khoáng sản chiến lược quan trọng nhất thế giới do vai trò thiết yếu của nó trong các hệ thống năng lượng tái tạo và ngành công nghiệp sản xuất pin.

Tuy nhiên, các mỏ quặng lithium có thành phần khoáng chất, hàm lượng tạp chất và độ khó tuyển quặng rất khác nhau. Do đó, các hoạt động khai thác hiện đại thường yêu cầu kết hợp nhiều công nghệ tuyển quặng để sản xuất tinh quặng lithium chất lượng cao một cách hiệu quả.

Từ khâu nghiền và xay đến tuyển nổi, tách từ và sấy quay, mỗi giai đoạn xử lý đều ảnh hưởng trực tiếp đến tỷ lệ thu hồi lithium và chất lượng tinh quặng cuối cùng.

Trong bối cảnh nhu cầu lithium toàn cầu tiếp tục tăng, các hệ thống xử lý quặng lithium hiệu quả và được thiết kế khoa học sẽ vẫn đóng vai trò thiết yếu cho sự phát triển trong tương lai của ngành sản xuất pin và năng lượng tái tạo.