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炭酸リチウム（Li 2 CO 3） は、リチウム電池、ガラスセラミック、医薬品産業の主要原料です。リチウム沈殿プロセスは、最終製品の純度と収率に直接影響を及ぼします。リチウム沈殿では、化学沈殿法を用いてリチウムイオンを固体炭酸リチウムに変換しますが、その反応条件と操作パラメータは製品の品質確保に極めて重要です。本論文では、リチウム沈殿における重要なパラメータと純度管理方法を体系的に分析します。
I. リチウム沈殿の基本原理とリチウム沈殿反応の式は、次の2つの経路で説明されます。
1. 直接炭化：
LiClまたはLiOH+CO 3 2- → Li 2 CO 3 
+その他の副生成物。高温（例：95℃以上）では、リチウムイオンはアルカリ性環境（例：高濃度Na2CO3溶液）中で炭酸イオンと反応し、不溶性の炭酸リチウム沈殿物を形成します。
2.間接沈殿法（炭酸アンモニウムを例に挙げる）
LiCl + (NH₄)₂CO₃ → Li₂CO₃ 
+ 2NH₄Cl
炭酸アンモニウムを沈殿剤として使用する場合、反応速度は比較的遅いため、完全な沈殿を確実にするためには、反応時間を長くする必要があります（60～120分、最適時間は90±10分）。
II. リチウム沈殿反応条件の最適化
1. 最適な温度範囲
炭酸リチウム沈殿の温度は、原料の特性とプロセスの目的に基づいて調整する必要があり、中心範囲は 70 ～ 95°C に集中します。
· 高温条件（90～95℃）： リチウム長石の精製などのプロセスでは、90～95℃を維持することでLi⁺-CO₃²⁻反応速度が加速され、不純物の封入が低減し、リチウム沈殿効率が向上します。例えば、リチウム沈殿母液の脱炭酸反応では、CO₂の揮発を促進するために70℃に加熱する必要があります。
· 不純物に対する温度の影響：低温（70℃未満）ではLi₂Oの沈殿が不完全となり、母液中のリチウム損失が増加する可能性があります。一方、高温（95℃超）では核生成現象が悪化し、ナトリウムやマグネシウムなどの不純物が結晶構造に取り込まれる可能性があります。
2. pH制御戦略
リチウム沈殿システムの pH は、反応効率と不純物除去のバランスをとるために段階的に調整する必要があります。
· 沈殿段階のpH：炭酸ナトリウム濃度を1.5～2 mol/Lに制御する場合、反応溶液のpHは8.4～9.2に維持する必要があります。この範囲にすることで、Li₂CO₃が優先的に沈殿し、Na⁺やSO₄²⁻などの不純物の共沈殿が抑制されます。
· 脱炭酸および母液処理：リチウム沈殿後、硫酸を加えて残留CO₂を放出し、母液のpHを6～7に調整します。その後、NaOH中和反応を利用して金属イオンを沈殿させ、カルシウム-マグネシウム錯体を形成するためにpHを12.5に上げます。
· 洗浄段階の pH:洗浄母液の pH は通常 10 ～ 12 の範囲であり、排出基準を満たすには中和処理が必要です。
III. 純度向上のための主要技術
1. 不純物除去プロセス
· 物理的・化学的組み合わせ法：
洗浄・遠心分離：粗炭酸リチウムは95℃の純水で撹拌洗浄され、表面に吸着したNa⁺、SO₄²⁻などが除去されます。遠心分離後、母液を回収し、ソーダ灰を製造します。
キレート沈殿: EDTA (例: 0.8 kg/20,000 L リアクター) を加えて Ca²⁺ および Mg²⁺ イオンをキレートし、水酸化ナトリウムで pH を調整して共沈殿を実現します。
段階的沈殿法：閘壁塩湖法は、化学的段階的アルカリ化法を採用しています。まず、Fe³⁺、Al³⁺、Ca²⁺などの不純物を除去し、最後に炭酸アンモニウムを用いてリチウムを沈殿させ、純度99.90%を達成します。
2. 反応条件の微調整
· 供給方法と撹拌パラメータ：
局所的な過飽和による異常結晶核生成を防ぐため、炭酸ナトリウムは滴下によりゆっくりと添加する必要があります。同時に、均一な混合を確保しながら機械的破砕を最小限に抑えるため、撹拌速度は300～500rpmに制御されます。
炭酸ナトリウムとリチウム溶液のモル比は 1.05 ～ 1.2 (30% ～ 50% 過剰 CO₃²⁻) が推奨され、これにより完全な反応が保証され、母液中のリチウム損失が最小限に抑えられます。
3. 処理後の精製技術
· 3段階CO₂精製： CO₂を泡立てることでpHを中性に調整し、微量不純物（例：Mg²⁺、Cl⁻）を炭酸塩として沈殿させます。最終製品の純度は99%を超えますが、硫酸イオンをさらに除去するためにイオン交換が必要です。
· 膜分離とイオン交換：浸出母液中の微量不純物（例：Na⁺ < 0.2 wt%）については、ナノ濾過膜で高分子不純物を保持したり、強酸性陽イオン交換樹脂で金属イオンを吸着したりすることができます。
IV. 品質管理とプロセス改善の方向性
1. 分析試験方法
· 定期試験:原油製品のスクリーニングに適した、誤差 ±0.5% のリチウム含有量の重量分析。原子吸光分光法 (AAS) では ppm レベルの不純物を検出し、ICP-MS では微量元素 (例: Fe、Al < 10 ppm) を分析します。
· 形態および構造特性：粒子形態観察のためのSEM、純度検証のためのXRD、およびザブイエ型炭酸リチウムの特徴的なピークを確認するためのIR分光法。
2. 既存の課題と最適化の道筋
共晶現象の抑制:母液中の Li₂O/CO₃²⁻ 比を下げる (例: <0.7) ことによってナトリウム - リチウム共晶の形成を減らすか、種結晶法を導入して核形成の成長速度を制御します。
母液リサイクル：脱炭酸および不純物除去後、リチウム沈殿母液を濃縮します。二次リチウム沈殿により、リチウム回収率は95%以上に向上します。
結論
炭酸リチウム沈殿の最適化には、温度、pH、供給制御、そして多段階精製技術を体系的に統合する必要があります。現在のベストプラクティスは以下のとおりです。温度：リチウム沈殿：90～95℃、脱炭酸：70℃。pH：反応系：8.4～9.2、母液処理：6～7。純度制御：段階的沈殿＋三段階精製＋膜分離、ICP-MSオンラインモニタリングを組み合わせ、99.9%を超える純度目標を達成。今後の開発では、原料の変動や環境要件に対応するためのインテリジェントなプロセスパラメータ連動システムに重点を置く必要があります。