Industriell produksjon av litium fra saltlake og spodumen

For hånd

Lest inn av KI og ikke kontrollert manuelt enda — kan inneholde feil.

Denne oppgaven handler om produksjonen av litium, Li, i industriell skala. Litium brukes i økende grad i batteriproduksjon. Litium blir hovedsakelig utvunnet ved to forskjellige metoder. Det kan hentes ut av saltrikt grunnvann med høy litiumkonsentrasjon, eller det kan utvinnes ved gruvedrift, hvor steiner knuses. I dag er over 80 % av litiumproduksjonen utvinning fra saltrikt grunnvann, heretter kalt saltlake. Begge metodene gir sluttproduktet litiumkarbonat, $L i_{2} C O_{3}$ , som er egnet for frakt.

Utvinning fra saltlake

Litiumholdig saltlake finner vi nesten utelukkende i høyfjellet i Sør-Amerika. Saltlaken pumpes til store utendørs fordampningsbassenger, hvor saltlaken oppbevares til saltinnholdet er høyt nok til at man kan hente ut litium, rundt 300–7000 ppm. Figur 1 viser en skisse av fordampningsbassenger. Underveis filtreres saltlaken flere ganger med store mengder vann for å fjerne flere uønskede ioner som finnes i saltlaken. Et uønsket ion i saltlaken er magnesiumion, $M g^{2 +}$ . Dette fjernes ved tilsetting av natriumkarbonat, $N a_{2} C O_{3}$ , i siste trinn. I dette trinnet dannes også $L i_{2} C O_{3}$ .

Figur 1: Skisse av tre fordampningsbassenger med bilveier, pumper og vannrør

A: bilveier
B: fordampningsbassenger
C: pumper og vannrør

Utvinning fra gruver

Det viktigste råstoffet i gruveproduksjon av litium er mineralet spodumen, $L i A l {(S i O_{3})}_{2}$ , som har et Li-innhold på 1–3 %. Spodumen finnes i store deler av verden.

Spodumen varmes opp til $1100 ° C$ for å gjøre litiumet mer tilgjengelig. Deretter kjøles mineralet ned og finknuses. Finmalt spodumen varmes opp til $250 ° C$ og tilsettes konsentrert svovelsyre, slik at det dannes litiumsulfat, $L i_{2} S O_{4}$ . Denne blandingen renses før det tilsettes $N a_{2} C O_{3}$ , slik at det dannes $L i_{2} C O_{3}$ .

Videreforedling av $L i_{2} C O_{3}$

Litium selges og fraktes som $L i_{2} C O_{3}$ . Før man kan framstille Li-metall, må $L i_{2} C O_{3}$ omdannes til litiumklorid, $LiCl$ . Li-metall kan nå framstilles ved å elektrolysere en smelte av $LiCl$ . $LiCl$ er vanntiltrekkende og giftig.

Skriv en kjemifaglig tekst om denne produksjonen. Besvarelsen din skal ta utgangspunkt i produksjonen av litium i industriell skala, og du skal gjøre rede for og drøfte ett eller flere av punktene under:

utvinningsmetoder
risiko, sikkerhet og miljømessige konsekvenser ved produksjon
framstilling av rent metallisk litium fra litiumkilder
løselighet
å dekke Li-behov i det grønne skiftet

Svaret ditt bør inneholde reaksjonsligninger, utregninger eller figurer der det er relevant for svaret ditt. Svaret ditt skal være på omtrent 200–250 ord.

Fasit

Løselighet: $M g C O_{3}$ er mye mindre løselig enn $L i_{2} C O_{3}$ , så magnesium kan felles ut først. Saltlaken må være svært konsentrert før $L i_{2} C O_{3}$ felles ut. Metallisk litium: smelteelektrolyse av tørr $LiCl$ , ikke vannløsning, fordi vann reduseres før $L i^{+}$ . Elektrolysen krever mye energi og gir giftig klorgass.

LøsningsforslagKI-generert

Litium fra både saltlake og spodumen ender som litiumkarbonat. Jeg drøfter to punkter: løselighet ved fellingen og framstilling av metallisk litium.

Saltlaken inneholder mye $M g^{2 +}$ . Med karbonat felles magnesiumkarbonat:

M g^{2 +} (a q) + C O_{3}^{2 -} (a q) \to M g C O_{3} (s)

Vedlegget gir $K_{sp} = 6,82 \cdot 10^{- 6}$ for $M g C O_{3}$ og $K_{sp} = 8,15 \cdot 10^{- 4}$ for $L i_{2} C O_{3}$ . Løseligheten $s$ i rent vann blir:

\begin{matrix} M g C O_{3} : s & = \sqrt{6,82 \cdot 10^{- 6}} = 2,6 \cdot 10^{- 3} m o l / L \\ L i_{2} C O_{3} : s & = \sqrt[3]{\frac{8,15 \cdot 10^{- 4}}{4}} = 5,9 \cdot 10^{- 2} m o l / L \end{matrix}

Litiumkarbonat er altså over tjue ganger mer løselig. Magnesium kan derfor felles ut og filtreres bort først. Samtidig forklarer den høye løseligheten hvorfor saltlaken må dampes inn lenge. Først ved høy $L i^{+}$ -konsentrasjon felles litiumkarbonat:

2 L i^{+} (a q) + C O_{3}^{2 -} (a q) \to L i_{2} C O_{3} (s)

Et overskudd av natriumkarbonat gir mer fullstendig felling. Høyere $[C O_{3}^{2 -}]$ forskyver likevekten mot fast stoff (felles ion-effekt). Litium som blir igjen i løsningen, går ellers tapt.

For å lage metall omdannes karbonatet til klorid:

L i_{2} C O_{3} (s) + 2 H C l (a q) \to 2 L i C l (a q) + H_{2} O (l) + C O_{2} (g)

Litium kan ikke framstilles ved elektrolyse av en vannløsning. Reduksjonspotensialet for $L i^{+}$ er $- 3,04 V$ , mens vann reduseres ved $- 0,83 V$ . Vann ville gitt hydrogengass i stedet for litium. $LiCl$ er vanntiltrekkende, så saltet må tørkes godt og smeltes. I smelten skjer:

\begin{matrix} Katode: L i^{+} + e^{-} \to L i (l) \\ Anode: 2 C l^{-} \to C l_{2} (g) + 2 e^{-} \end{matrix}

Et overslag med standardpotensialer gir minst $1,36 V - (- 3,04 V) = 4,40 V$ . Standardpotensialene gjelder vannløsning ved $25 ° C$ , så tallet er bare et grovt overslag for en smelte. Både smelting og elektrolyse krever mye energi. Klorgassen er giftig og må samles opp. Den kan brukes til å lage ny saltsyre, slik at mindre kjemikalier går til spille. Metallisk litium reagerer kraftig med vann og må holdes tørt. Skal litium bidra i det grønne skiftet, bør energien komme fra fornybare kilder.

Vedlegg

Vedleggene i oppgavesettet til Kjemi 2 V2023. De kunne brukes på hele eksamen, også del 1 (om hjelpemidlene).

Åpne på egen side: Tabeller og formler i kjemi

Oppgavedata

Hentet fra: Kjemi 2 V2023, del 2, oppgave 9
Del: Del 2, alle hjelpemidler — les om hjelpemidler
Hjelpemidler: Kalkulator
CAS
Graftegner og regneark
Lærebok, formelsamling og egne notater
Ikke åpent internett, kommunikasjon med andre eller kunstig intelligens.
Kategori: 3
Vanskegrad: 3
Temaer: Løselighet, Elektrolyse, Miljøkjemi, Grønn kjemi

Industriell produksjon av litium fra saltlake og spodumen

Innstillinger

Utseende

Oppgaver og visning

Utskrift

Synkronisering

Sync på tvers av enheter

Industriell produksjon av litium fra saltlake og spodumen

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Forstå oppgaven med en KI

Tastatursnarveier

Navigasjon

I oppgave

Industriell produksjon av litium fra saltlake og spodumen

Industriell produksjon av litium fra saltlake og spodumen

Lov på eksamen

Kan den løses uten PC?

Temaer