Effetto della calcinazione sul rigetto grossolano della ganga dei minerali di litio di roccia dura

Scientific Reports volume 12, numero articolo: 12963 (2022) Citare questo articolo

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La lavorazione dei minerali di spodumene richiede la calcinazione come pretrattamento obbligatorio per convertire l'α-spodumene in una fase β-spodumene più reattiva. Questa trasformazione avviene ad una temperatura elevata, superiore a 900 °C e determina un'espansione volumetrica del minerale del 30% e un prodotto con proprietà fisiche fortemente alterate. Questo lavoro esamina queste proprietà indotte e l'effetto della calcinazione sul comportamento del litio con dimensioni delle particelle. L'analisi XRD ha mostrato una quantità significativa di β-spodumene nella frazione più fine calcinata (cioè le particelle inferiori a 0,6 mm). È stata registrata una marcata riduzione dell'indice di lavoro del mulino a sfere dei campioni di litio calcinato (ovvero 42,3%) a sostegno della fratturazione osservata e dell'aspetto friabile del campione in seguito alla conversione da α a β-spodumene. Il trasporto del litio nelle frazioni più fini è aumentato significativamente quando il campione è stato calcinato, indicando una rottura selettiva dello spodumene sui minerali della ganga.

L’applicazione dei composti del litio nell’industria delle batterie ha aumentato la domanda mondiale di litio. Delle due importanti risorse del litio, l’estrazione dalle salamoie è commercialmente più redditizia rispetto all’estrazione da rocce dure. Tuttavia, l’attenzione si è spostata in una certa misura verso l’estrazione del litio da minerali di roccia dura distribuiti in modo più uniforme per due ragioni. Innanzitutto, questa merce è monopolizzata a causa della sua presenza in alcune regioni specifiche. In secondo luogo, si prevede che il tasso di crescita annuo composto del litio sarà del 25,5%, ovvero un aumento da 47,3 a 117,4 kt di litio in 4 anni tra il 2020 e il 2024, costringendo l’espansione della produzione ad altre materie prime1. Questa crescita è principalmente il risultato dell’aumento delle vendite di veicoli elettrici, che secondo le previsioni aumenteranno da 3,4 milioni di veicoli nel 2020 a 12,7 milioni entro il 20241.

Lo spodumene (LiAlSi2O6) è il minerale contenente litio più sfruttabile dal punto di vista economico ed è ampiamente utilizzato nell'estrazione del litio2. Si trova nelle pegmatiti e può verificarsi con altri composti contenenti litio come petalite (LiAlSi4O10) e lepidolite (K(Li,Al,Rb)3 (Al,Si)4O10 (F,OH)2). La lavorazione dei minerali di litio inizia con l'arricchimento come la separazione per gravità/separazione di mezzi densi, separazione magnetica e/o flottazione3. L'arricchimento del litio dallo spodumene non è un processo semplice a causa delle proprietà simili dei minerali contenenti litio (cioè spodumene) e dei minerali della ganga associati, ovvero quarzo (SiO2), albite (NaAlSi3O8), microclino (KAlSi3O8) e muscovite (KAl2 (Si3Al) O10(OH,F)2).

Un concentrato di spodumene contenente più del 6% di Li2O è considerato di alta qualità4 corrispondente ad almeno il 75% di spodumene. Questo concentrato è adatto ad alimentare le fasi successive della lavorazione: trattamento termico ed estrazione del litio2. Il trattamento termico è necessario a causa della naturale presenza dello spodumene in una fase α meno reattiva5. Il trattamento termico a temperature elevate (superiori a 950 °C) è un passaggio importante nella produzione del litio perché questo passaggio trasforma l’α-spodumene meno reattivo in β-spodumene più reattivo6. Questo fenomeno di trasformazione di fase è chiamato calcinazione o decrepitazione che è una reazione endotermica7.

L'α-spodumene è la più dominante presente in natura delle tre possibili fasi dello spodumene, vale a dire: α, β, γ. L'α-Spodumene (struttura cristallina monoclina) è una fase più densa e meno reattiva che si trova a temperatura ambiente. Tuttavia, il β-spodumene (struttura cristallina tetragonale) è il 30% meno denso dell'α-spodumene. Pertanto, il β-spodumene ha un peso specifico inferiore rispetto all’α-spodumene (rispettivamente 2,4 e 3,15 g/cm3). Il γ-spodumene esagonale è stato scoperto di recente ed è metastabile perché si forma durante la transizione dalla fase α a quella β8.

L'α-spodumene si presenta come una roccia competente, mentre il β-spodumene è molto più fragile dei minerali primari della ganga presenti nel minerale (ad esempio, quarzo)7. Uno studio microscopico rivela che l'α-spodumene è un materiale compatto composto da più strati impilati uno sull'altro. Al contrario, nei campioni di β-spodumene, si possono osservare molte crepe sulle particelle che portano ad una struttura cristallina più casuale.