リチウムスラグは、鉱石からのリチウム生産の副産物です。スポジュメンなどのリチウムを豊富に含む鉱物の抽出によって生成されます。この物質には高濃度のリチウムやその他の貴重な金属が含まれていることが多く、リサイクルや回収の有望な資源となっています。リチウムの需要が高まるにつれ、リチウムスラグの管理も重要になってきています。リチウムスラグは、電気自動車のバッテリーや再生可能エネルギー貯蔵にとって不可欠な資源です。研究者や産業界は、この副産物を処理する新たな方法を模索しています。その目的は、環境への悪影響を軽減し、資源効率を高めることです。.
我が国は貴重なリチウム資源を有しています。主な資源はリチウム鉱石で、スポジュメン、レピドライト、ペタライト、フェロリチウム雲母、パイロライトなどが含まれます。その中でも、工業規模で利用されているのはスポジュメンのみです。スポジュメンは組成が単純でリチウム含有量が高く、抽出が容易です。また、我が国は世界第2位の規模を誇るスポジュメン鉱山を有し、大規模な貯蔵能力を備えています。さらに、レピドライトは組成が複雑ですが、埋蔵量も豊富です。.
中国江西省宜春市には、世界最大のレピドライト鉱床があります。ここは戦略的にも研究的にも価値の高い重要なリチウム鉱床です。しかし、ペタライト、フェロリチウム雲母、パイロライトはリチウム含有量が少なく、埋蔵量も小さいため、研究は少なく、あまり重要視されていません。.
大規模なリチウム採掘によって、大量のリチウムスラグが発生している。リチウム廃棄物を現場に埋め立てると、地域の土壌や水質を汚染する。そのため、汚染を避けるためにリチウム廃棄物をどのように利用するかが、近年注目を集めている。リチウムスラグは、スポジュメンとレピドライトの成分が異なるため、性質が異なる。.
スポジュメンとレピドライト
スポジュメンは輝石鉱物です。無色から淡黄色、わずかに紫色、またはラベンダー色のクンツァイトとして産出します。また、大きな黄緑色またはエメラルドグリーンの隠微晶質および柱状結晶を形成することもあります。スポジュメンはリチウムアルミニウムイノケイ酸塩、LiAl(SiO3)2です。主に花崗岩ペグマタイト脈中に産出します。私の国では、スポジュメンは主に新疆ウイグル自治区、四川省、江西省で産出されます。.
レピドライトは「レピドライト」とも呼ばれ、単斜晶系に属します。化学組成はK{Li2-xAl1+x[Al2xSi4-2xO10](OH,F )2} (x=0-0.5)です。カリウムとリチウムの塩基性ケイ酸アルミニウムであり、雲母鉱物の一種です。レピドライトは一般的に花崗岩ペグマタイトでのみ産出されます。色は紫色やピンク色で、淡色から無色まで様々です。真珠光沢を持ちます。短い柱状、小さな薄片状、または大きな板状の結晶として産出します。.
リチウム雲母は組成がより複雑で、精製がより困難です。リチウム雲母は基本的にリチウムを含むアルミノケイ酸塩です。通常、不純物を含みます。主な成分はリチウム、ケイ素、アルミニウムです。リチウム雲母の組成はより複雑です。主な成分はリチウム、カリウム、ケイ素、アルミニウム、フッ素です。そのため、原料の抽出やリチウム塩の精製がより困難です。2017年以前は、リチウム雲母由来の炭酸リチウムは高価で品質も劣っていました。これが主な理由です。工業用グレードの顧客向けでした。.
リチウム雲母中のLi2O含有量は低いため、単位消費量は多くなります。一般的に、リチウム雲母精鉱のLi2O含有量は5.0～6.0%です。リチウム雲母精鉱のLi2O含有量は2.0～3.5%です。したがって、炭酸リチウム1トンを製造するには、リチウム雲母精鉱（品位6.0%）が約7.8トン必要です。一方、リチウム雲母精鉱（品位3.0%）では、同じ量を製造するのに約18～19トンが必要です。品位が低いほど、単位消費量はさらに高くなります。そのため、リチウム雲母からリチウムを抽出するよりも、リチウム雲母から抽出する方がコストがかかります。.
スポジュメンリチウムスラグとレピドライトリチウムスラグの比較
通常、リチウムスラグ（スポジュメン含有リチウム鉱滓）の主成分は、スポジュメン、石膏、および石英である。これらのうち、リチウム抽出工程における主成分鉱物はスポジュメンである。石英はスポジュメンの共生鉱物であり、石膏は主に石灰石粉末と硫酸の反応によって生成される。.
通常、リチウム雲母リチウム廃棄物の主な相は、青色球状鉱物、石膏、石英、蛍石、曹長石である。これらのうち、青色球状鉱物、石英、曹長石、蛍石はスポジュメンの共生鉱物である。石膏は主に石灰石粉末と硫酸の反応によって生成される。.
つまり、リチウム雲母リチウムスラグは、スポジュメンリチウムスラグよりも複雑な構造をしている。.
リチウム雲母とスポジュメンリチウムスラグの密度は類似している。短時間粉砕後、リチウム雲母リチウムスラグはスポジュメンリチウム廃棄物よりも表面積が小さい。しかし、粉砕時間が長くなるにつれて、リチウム雲母はスポジュメンよりも表面積が大きくなる。リチウム雲母リチウムスラグの粉砕時間が短いほど、活性が高くなる。スポジュメンは活性を高めるために長時間粉砕する必要がある。短時間粉砕は、リチウム雲母やリチウム廃棄物よりも効果が低い。.
また、リチウムスラグは、スラグやフライアッシュといった従来の固体廃棄物よりも複雑な性質を持っています。従来の固体廃棄物は組成が一定ですが、リチウムスラグにはカリウムやナトリウムなどのアルカリ金属イオンが多く含まれており、通常は5%～30%の硫黄元素が含まれています。さらに、リチウム廃棄物にはベリリウム、タリウム、ルビジウム、セシウムなどの微量の金属イオンが含まれている場合もあります。これらの金属イオンは、再利用する前に検査を受け、基準を満たしている必要があります。リチウム廃棄物中の金属イオンの固定化や除去は、その取り扱いを困難にしています。そのため、利用方法は限られており、少量しか消費できません。.
リチウムスラグの処理と利用
ベリリウム、タリウム、フッ素、ルビジウム、セシウムの濃縮と利用
江西省のある企業のリチウムスラグには、タリウム0.003%、ヒ素0.0002%、フッ素3.5%、ベリリウム0.067%、ルビジウム0.344%、セシウム0.078%が含まれている。このリチウムスラグは有毒であり、ベリリウム、タリウム、フッ素、ルビジウム、セシウムを含んでいる。これらは生態系と人間の健康にリスクをもたらす。.
ベリリウムの工業的抽出は、主に高温溶解によって行われます。次に、水を急冷するか、アルカリ性物質を加えます。これにより、鉱物の結晶構造が破壊されます。その後、硫酸に溶解し、有機溶媒を使用して濃縮します。しかし、従来の有機溶媒は環境に非常に有害です。リチウム鉱石中のタリウムは、選鉱後、主に TI2O、TIOH、TI2SO4 などの形で存在します。これらは溶解度が高いです。ベリリウムは溶解度が低いです。.
多くの研究で、溶媒抽出法がタリウムを効果的に抽出できることが示されています。イオン液体法も二相水系において同様の効果を発揮します。将来的には、微生物・酸・イオン液体システムを用いる予定です。これにより、反応に伴うエネルギー消費量と廃棄物を削減できます。また、ベリリウムとタリウムの回収率も向上します。このシステムによって、低炭素かつ環境に優しい効率で、リチウム鉱山廃棄物スラグから金属を回収することが可能になります。.
焙焼浸出法は、リチウムスラグを処理してルビジウムとセシウムを回収するプロセスです。このプロセスでは、それらの塩の混合溶液が得られます。次に、沈殿プロセスを使用して、ルビジウムとセシウムの混合物を得ます。ルビジウムとセシウムの混合物が処理されます。これにより、それらの塩の高濃度混合溶液が得られます。次に、段階的な沈殿によってルビジウムとセシウムの残留物を得ます。ルビジウム沈殿物とセシウム沈殿物を処理して、塩化ルビジウムと塩化セシウムを得ます。塩化ルビジウムと塩化セシウムは、処理して炭酸ルビジウムと炭酸セシウムを得ることができます。.
リチウムマイカに含まれるフッ素は、その構造を破壊する可能性があります。二段階熱処理は、直接加熱よりも優れています。この処理により、フッ素と未反応の硫酸が除去され、フッ素の回収・循環システムも構築されます。.
建築資材の利用
セメント
リチウムスラグはセメントに使用される粘土に似ています。そのため、リチウム鉱山の廃スラグをセメントクリンカー製造における粘土の一部代替として使用することは可能です。リチウム鉱物と抽出プロセスは、リチウム雲母とスポジュメンの廃スラグに影響を与えます。これらは大きく異なります。スポジュメン鉱山の廃スラグには1%から3%のFe2O3が含まれています。リチウム雲母鉱山の廃スラグには約0.5%のFe2O3が含まれています。したがって、リチウム雲母鉱山の廃スラグから作られる白色セメントは、市場でより有利です。.
コンクリート
リチウムスラグをコンクリート混和材として使用することで、セメントの一部を代替できます。これは大規模に利用可能です。これにより、セメント生産による環境負荷が軽減され、持続可能な開発が促進されます。リチウムスラグに含まれるSiO2とAl2O3は、セメント中のCa(OH)2と反応し、水和ケイ酸カルシウムゲル（CSH）を形成します。これにより、コンクリートの強度と耐久性が向上します。.
現在、リチウムスラグをコンクリート添加剤として使用する研究は、以下の点に焦点を当てています。
- 機械的特性。.
- 炭酸化耐性。.
- 塩化物イオンの浸透に対する耐性。.
- 硫酸塩腐食に対する耐性。.
- 耐久性。.
セラミックス
産業廃棄物を利用した発泡セラミックスの製造は、資源利用における重要な焦点の一つである。リチウムスラグは、高ケイ素、高アルミニウム、高アルカリを多く含む典型的な固体廃棄物原料である。酸性リチウム廃棄物は、従来のセラミック原料と類似した化学組成を持ち、主な鉱物成分は石英、方解石、スポジュメン、リチウム雲母である。.
しかし、未処理のリチウムスラグにはFe2O3とTiO2が含まれており、これらはセラミックの白色度に影響を与える。そのため、建築用セラミックの製造に適している。さらに、酸化リチウムは強力な融剤であり、ナトリウムやカリウムの酸化物と組み合わせると釉薬の共晶点が低下する。.
ジオポリマー
リチウムスラグはフライアッシュと類似した化学組成を持ち、単成分ジオポリマーのケイ素・アルミニウム前駆体として使用できます。リチウムスラグはCaO含有量が低く、SO3含有量が高いため、合成ジオポリマーの特性に影響を与えます。また、熱処理やアルカリ活性化技術の利用方法にも変化が生じます。.
壁材
リチウムスラグは壁材として、主に焼成していないレンガやセラミックスに使用されます。焼成していないレンガは強度と耐久性に優れています。リチウム廃棄物を効率的に消費できます。いくつかの研究では、セメント、製鋼スラグ粉末、フライアッシュ、リチウム廃棄物を使用してリチウムスラグ焼成していないレンガを製造しています。これらのレンガは自然養生法を採用しています。レンガは強度が高く、耐水性があり、耐凍害性にも優れています。セラミックスはセラミック粒子です。軽量で強度が高く、多孔質です。耐火性に優れています。断熱性、防水性、遮音性にも優れています。耐凍害性があり、アルカリ骨材反応性にも優れています。軽量骨材として建築材料に広く使用されています。.
リチウムスラグはSiO2とAl2O3を高濃度に含み、建築用セラミックの製造に適した高品質の原料です。リチウム雲母リチウム廃棄物中のCaO、Na2O、K2Oの含有量は15%に達し、焼結時のフラックス酸化物として使用できます。これにより、セラミックの焼結温度が低下し、高温液相の粘度も低下します。.
リチウム鉱滓路盤
5月に、, 江西省 「高速道路路盤工事におけるリチウムスラグ使用に関する技術仕様書（試行版）」が発行された。この仕様書には多くの環境保護基準が含まれている。「『有害廃棄物として指定されたリチウム廃棄物』を路盤充填材として使用することは禁止されている」。一般産業廃棄物であるリチウムスラグは、改質後に高速道路の盛土充填材としてのみ使用できる。高速道路の路盤充填材として使用することはできない。改質リチウムスラグ路盤は、生態保護レッドライン、恒久基本農地、その他の特別区域内にあってはならない。また、道路区間の水質および土壌検査に関する詳細な基準も定められている。.