Question

以含锂电解铝废渣（主要成分为LiF、AlF₃、NaF，少量CaO等）为原料，生产高纯度LiOH的工艺流程如图：（已知：常温下，LiOH可溶于水，Li₂CO₃微溶于水）

（1）含锂电解铝废渣与浓硫酸在200~400℃条件下反应2h。“滤渣1”主要成分是___（填化学式）。

（2）“过滤2”需要趁热在恒温装置中进行，否则会导致Li₂SO₄的收率下降，原因是___。

（已知部分物质的溶解度数据见下表）

温度/℃	Li2SO4/g	Al2(SO4)3/g	Na2SO4/g
0	36.1	31.2	4.9
10	35.4	33.5	9.1
20	34.8	36.5	19.5
30	34.3	40.4	40.8
40	33.9	45.7	48.8

（3）40°C下进行“碱解”，得到粗碳酸锂与氢氧化铝的混合滤渣，生成氢氧化铝的离子方程式为___；若碱解前滤液中c(Li⁺)=4mol•L^-1，加入等体积的Na₂CO₃溶液后，Li⁺的沉降率到99%，则“滤液2”中c(CO₃^2-)=___mol•L^-1。[K_sp(Li₂CO₃)=1.6×10^-3]

（4）“苛化”过程，若氧化钙过量，则可能会造成___。

（5）整个工艺流程中可以循环利用的物质有___。

（6）“电解”原理如图所示。“碳化”后的电解液应从（填“a”或“b”)___口注入。阴极的电极反应式为___。

（7）高纯度LiOH可转化为电池级Li₂CO₃。将电池级Li₂CO₃和C、FePO₄高温下反应，生成LiFePO₄和一种可燃性气体，该反应的化学方程式为___。

Answer

CaSO4 溶液温度下降，硫酸钠结晶析出时，夹裹了部分的硫酸锂共沉淀 2Al3+＋3CO32-＋3H2O=2Al(OH)3↓＋3CO2↑ 4 碳酸锂产品的钙离子含量相对升高(或使得氢氧化铝溶解进入溶液，导致最终产品的纯度下降) CO2 a 2H2O+2e-=H2↑＋2OH- Li2CO3＋2C＋2FeSO42LiFePO4＋3CO↑

【解析】

含锂电解铝废渣(主要成分为LiF、AIF3、NaF，少量CaO等)与浓硫酸反应生成Li2SO4、Al2(SO4)3、Na2SO4和CaSO4。CaSO4是微溶物，加水溶解，滤渣1为CaSO4，向滤液中加入Na2CO3溶液，碱解生成CO2气体、Al(OH)3和Na2SO4及Li2CO3，趁热过滤，向滤液中加入氧化钙生成CaSO4、Al(OH)3、LiOH，过滤，向滤液中加入CO2得到Li2CO3，电解得到LiOH。

(1)根据分析得到“滤渣1”主要成分是CaSO4；

(2)“过滤2”需要趁热在恒温装置中进行，根据表中溶解度曲线得出硫酸钠晶体析出可能会夹带着硫酸锂，从而导致Li2SO4的收率下降；故答案为：溶液温度下降，硫酸钠结晶析出时，夹裹了部分的硫酸锂共沉淀；

(3)40°C下进行“碱解”，得到粗碳酸锂与氢氧化铝的混合滤渣，生成氢氧化铝主要是碳酸根和铝离子发生双水解，其离子方程式为2Al3+＋3CO32−＋3H2O=2Al(OH)3↓＋3CO2↑；若碱解前滤液中c(Li+)=4mol∙L−1，加入等体积的Na2CO3溶液后，Li+的沉降率到99%，则此时溶液中c(Li+)=，根据，得到“滤液2”中；

(4)“苛化”过程，若氧化钙过量，溶液中含有多余的钙离子，也可能将生成的氢氧化铝溶解进入得到溶解中；故答案为：碳酸锂产品的钙离子含量相对升高(或使得氢氧化铝溶解进入溶液，导致最终产品的纯度下降)。

(5)碱解的过程中生成CO2，在碳化过程中加入CO2，因此整个工艺流程中可以循环利用的物质有CO2；

(6)“电解”原理如图所示，LiOH是从右边得到，而锂离子通过阳离子交换膜进入到右室，因此“碳化”后的电解液应从a口注入。阴极是水中的氢离子得到电子，其电极反应式为2H2O+2e－=H2↑＋2OH－；

(7)将电池级Li2CO3和C、FePO4高温下反应，根据氧化还原反应，FePO4中Fe化合价降低，则C化合价升高，生成LiFePO4和一种可燃性气体即CO，该反应的化学方程式为Li2CO3＋2C＋2FeSO42LiFePO4＋3CO↑。