Cristalización de carbonato de litio: ruta de grado batería
La cristalización de carbonato de litio es la etapa que convierte un licor de litio purificado en Li₂CO₃ sólido de grado batería, y en la mayoría de las plantas se diseña en torno a un lazo de carbonatación–descarbonatación más que a una simple evaporación: el lazo entrega de forma rutinaria Li₂CO₃ con ≥99,5% al 85–93% de recuperación de litio de la sección. Este artículo recorre la ruta etapa por etapa, dentro de nuestra biblioteca de recursos de evaporación y cristalización.
Puntos clave
- La pureza de grado batería la fija el lazo de carbonatación–descarbonatación, no un único evaporador.
- La ruta corre: concentración de salmuera, remoción de boro y sulfato, LiCl intermedio, carbonatación, descarbonatación térmica, separación.
- El tamaño de cristal (d50 típico 8–15 µm), la densidad aparente y la fluidez son especificaciones de compra, no propiedades cosméticas.
- La química de la alimentación —salmuera, espodumeno o reciclaje de baterías— cambia el frente; la sección de cristalización cambia con ella.
- Las ofertas comparables exigen una base de diseño escrita: tenor de alimentación, especificación de producto, objetivos de cristal, límites de servicios.
¿Dónde se ubica la cristalización en el flowsheet?
- Evaporación y concentración de la salmuera: la salmuera de salar o geotérmica se concentra en trenes de efectos múltiples o MVR, elevando el tenor de litio mientras se rechazan sodio, potasio y parte del magnesio como sales.
- Remoción de boro y sulfato: el boro sigue al litio en casi todas las operaciones y se limita a niveles muy bajos en el producto; se retira típicamente por extracción con solventes o intercambio iónico. El lazo no puede arrastrar el boro.
- Intermedio de LiCl o Li₂SO₄: el último punto donde las impurezas mayores pueden rechazarse barato.
- Carbonatación con CO₂: el licor purificado se contacta con dióxido de carbono en una columna, convirtiendo el carbonato en bicarbonato de litio soluble: Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O → 2 LiHCO₃.
- Descarbonatación térmica: el bicarbonato se calienta en reactores agitados, precipitando Li₂CO₃ y liberando CO₂: 2 LiHCO₃ → Li₂CO₃ + CO₂ + H₂O. El CO₂ liberado se recupera, comprime y recicla, por lo que el consumo de CO₂ queda muy por debajo de la demanda estequiométrica.
- Espesamiento y centrífugación: la pulpa se espesa y se desagua en centrífugas con lavado intermedio; el licor madre lleva sodio, potasio, sulfato y boro, así que la eficiencia de lavado se traduce directamente en pureza.
- Secado, molienda y clasificación: la torta se seca a baja temperatura controlada y se clasifica para cumplir tamaño y fluidez; el embolsado corre con aire seco porque el producto es higroscópico.
¿Por qué el lazo LiHCO₃ fija la pureza?
El carbonato de litio es uno de los raros salts técnicos cuya solubilidad disminuye con la temperatura —unos 13 g/L a 20 °C, cayendo hacia 7 g/L cerca de 100 °C—. Evaporar un licor de LiCl concentrado co-cristalizaría sodio, potasio y sulfato junto al producto. El lazo convierte el litio en bicarbonato soluble mientras la mayoría de las impurezas —Na, K, Ca, Mg, sulfato, boro— permanecen disueltas o en una fase sólida filtrada aparte; la descarbonatación precipita solo carbonato de litio y devuelve las impurezas al licor madre. Cada pasada por el lazo es un paso de rechazo de impurezas, y por eso una planta puede mantener el sodio por debajo del 0,025% en el sólido final aun cuando la alimentación lleva mucho más.
- El recupero de CO₂ importa económicamente: sin compresor de recuperación el consumo de CO₂ se duplica aproximadamente.
- pH y temperatura son las palancas de pureza: la temperatura de descarbonatación fija la velocidad de nucleación, y esta fija el tamaño de cristal.
- La disciplina del boro se gana o se pierde aquí: ninguna etapa aguas abajo del intercambio iónico rechaza boro, de ahí los analizadores de boro en la alimentación del lazo, no solo en el producto.
¿Qué exige realmente la especificación de grado batería?
| Parámetro | Unidad | Límite típico de grado batería* | Por qué se limita |
|---|---|---|---|
| Ensayo Li₂CO₃ | % | ≥ 99,5 | Definición del producto |
| Sodio (Na) | % | ≤ 0,025 | Interfiere el procesado de cátodo; viene del licor madre |
| Potasio (K) | % | ≤ 0,001 | Techo de alcalino más estricto; sensible al lavado |
| Calcio (Ca) | % | ≤ 0,005 | Riesgo de insolubles en la pulpa del cátodo |
| Magnesio (Mg) | % | ≤ 0,008 | Procedente de salmuera; sensible al lavado |
| Sulfato (SO₄) | % | ≤ 0,08 | Impureza típica de la ruta espodumeno |
| Cloruro (Cl) | % | ≤ 0,01 | Corrosión aguas abajo; firma de ruta salmuera |
| Boro (B) | % | ≤ 0,001 | El veneno clásico de salmueras; solo removible aguas arriba |
| Humedad | % | ≤ 0,2 | Disciplina de secado y empaque |
* Valores típicos de la industria, a confirmar contra el contrato de compra; no es una norma. La consecuencia comercial: un proveedor que cotiza solo el ensayo de Li₂CO₃ cotiza media planta —la restricción vinculante suele ser el potasio o el boro, no el titular.
Tamaño de cristal, densidad y fluidez
| Propiedad | Unidad | Rango típico* | Consecuencia de equipo |
|---|---|---|---|
| Tamaño de cristal d50 | µm | 8–15 | Control de nucleación; temperatura de descarbonatación y siembra |
| Distribución de tamaño (span) | – | Estrecho | Destrucción de finos o clasificación |
| Densidad aparente | g/cm³ | 0,9–1,3 | Hábito y aglomeración; ajuste de secado y molienda |
| Densidad vibrada | g/cm³ | ≥ aparente en ~10–25% | Indicador de fluidez; ajuste de clasificador |
| Humedad tras secado | % | ≤ 0,2 | Tiempo y temperatura de secador; empaque con aire seco |
El d50 se gana en la descarbonatación, no se repara aguas abajo: la precipitación desde licor bicarbonatado caliente es rápida, y la precipitación rápida sin control da polvo fino, aglomerado y de baja densidad. Las respuestas de ingeniería: sembrar con carga controlada de finos de producto, mantener estables la temperatura de descarcarbonatación y la evolución de CO₂, y dar a la pulpa un envejecimiento que madure los finos. Un reactor sin volumen de envejecimiento alcanza el ensayo pero pierde el d50.
Variantes de alimentación y equipamiento
| Alimentación | Intermedio al lazo | Impurezas dominantes | Qué cambia en la sección |
|---|---|---|---|
| Salmuera de salar | LiCl concentrado y purificado | Na, K, Mg, Ca, B, Cl | Redundancia de pulido de boro; materiales resistentes a Cl |
| Lixiviación de espodumeno | Li₂SO₄ tras tostación | SO₄, Na, K, Ca, Al, Fe | Pulido extra de sulfato antes de carbonatar; mayor carga térmica |
| Lixiviado de baterías recicladas | Li₂SO₄ o LiCl purificado | F, Cu, Al, Ni, Co, Mn, orgánicos | Control de fluoruro y orgánicos; lazo por lotes frecuente |
| Salmuera geotérmica | LiCl concentrado | Sílice, Na, Ca, Mg, B | Gestión de sílice antes de los evaporadores; dimensionado de remoción de boro |
El paquete de equipos cubre: columna o reactor de carbonatación (donde un cristalizador DTB puede operar la descarcarbonatación continua), reactores de descarcarbonatación agitados y calentados por vapor, espesador, centrífuga de cuchillo o empujadora con lavado de torta —la máquina más crítica para la pureza—, secador de baja temperatura, molino y clasificador opcionales, sistema de recuperación de CO₂ y manejo con sangrado del licor madre. Los proveedores difieren más en los internos del lazo: ahí debe quedar la garantía de desempeño.
| Consumo | Unidad | Rango indicativo* | Notas |
|---|---|---|---|
| Consumo de CO₂ | t/t Li₂CO₃ | 0,5–0,8 | Con recuperación de CO₂; mucho mayor sin ella |
| Vapor (ruta térmica) | t vapor/t producto | 3–6 | Concentración, calor de descarbonatación y secado; base multiefecto |
| Potencia específica (ruta MVR) | kWh/t producto | 250–450 | Eléctrica; MVR reemplaza vapor |
| Recuperación global de litio | % | 85–93 | Rendimiento del lazo, pérdidas de lavado y sangrado |
* Valores indicativos; confirmar contra la especificación de compra y el balance térmico del proveedor. Vapor contra MVR es una pregunta de tarifas: donde el vapor es barato, gana el multiefecto; donde la energía eléctrica es barata o hay metas de descarbonización, el MVR traslada carga a electricidad.
Preguntas frecuentes
¿Por qué se usa un lazo de carbonatación–descarbonatación en lugar de evaporación directa?
Porque la solubilidad del carbonato de litio disminuye con la temperatura y ya es moderada de por sí: la evaporación directa co-precipitaría sodio, potasio y sulfatos con el producto. El lazo disuelve el litio como bicarbonato soluble al absorber CO₂ y precipita solo Li₂CO₃ al calentar, rechazando las impurezas al licor madre. Cada pasada es una purificación, y el CO₂ liberado se recupera y reutiliza.
¿Cuánto CO₂ consume el lazo por tonelada de producto?
Con un sistema de recuperación que devuelve los gases de descarbonatación a la columna de carbonatación, el consumo indicativo es 0,5–0,8 t de CO₂ por tonelada de Li₂CO₃; sin recuperación la cifra es sustancialmente mayor, acercándose a la demanda estequiométrica. Confírmelo con el balance de gases del proveedor para su licor: la eficiencia de absorción y la política de sangrado lo mueven de forma apreciable.