Application d'un traitement thermique d'un concentré de spodumène et l'extraction du lithium du β spodumène lors du grillage à l'acide sulfurique

Le lithium (Li) se trouve sous forme de spodumène contenant jusqu’à 8 % d’oxyde de lithium (Li2O). Le produit principal du traitement du spodumène est l’hydroxyde de lithium hydraté (LiOH.H2O) qui est très utilisé pour des applications dans les piles Li-ion. Afin de produire le LiOH.H2O, la structure cristalline du spodumène doit être convertie de la phase alpha à bêta en utilisant un four rotatif chauffé à ⁓1050 °C par un brûleur au gaz. Cependant, la faible efficacité énergétique du brûleur et la génération de gaz de combustion (CO2 et NOx) font de ce procédé, une étape limitante dans le traitement de ce minerai. Ce projet a pour objectif général d’accroître l’efficacité du traitement de conversion du spodumène (décrépitation ou éclatement sous l’effet de la chaleur) en utilisant un traitement thermique. Les processus de cuisson avec de l’acide sulfurique (H2SO4) et d’extraction liquide des échantillons produits par le traitement thermique sont également effectués selon la méthode traditionnelle pour évaluer l’efficacité de conversion. De plus, les techniques de caractérisation des matériaux (quantification des phases par analyse Rietveld) sont développées. Étant donné que les transferts de chaleur sont beaucoup plus rapides par le nouveau traitement thermique, il est prévu d’obtenir une conversion plus rapide du spodumène tout en réduisant la formation de CO2 et NOx. Une meilleure compréhension de l’interaction thermochimique entre les particules solides et les gaz chauds réactifs a été complétée. Le nouveau traitement thermique a été capable d’effectuer la décrépitation d’un concentré de spodumène. La conversion a été confirmée par diffraction rayons X. De plus, la taille des particules a une influence directe sur le rendement d’extraction. Finalement, un des résultats importants sur la compréhension du procédé est que la 3e phase identifiée (virgilite) a un impact direct sur les rendements d’extraction des composés de Li.

La chauffe à haute température appelée grillage en présence d’acide pour l’extraction du Li de concentré de β spodumène est le procédé traditionnel depuis le milieu du 20e siècle et est favorisée par les nouveaux producteurs de composés de Li. Cependant, très peu d’études ont tenté de confirmer les hypothèses expliquant pourquoi le rendement en Li est limité à 95 % et la nécessité d’un excès stœchiométrique de H2SO4 à 30 %. Dans cette étude, l’acidulation du β spodumène est effectuée dans un four tubulaire, suivi par l’extraction liquide du sulfate de Li, afin de réaliser un plan d’expériences factoriel portant sur l’excès de H2SO4, l’agitation mécanique amplifiée par l’usage de billes d’alumine, la température et la durée du grillage. L’excès de H2SO4, la température, la durée et l’agitation mécanique améliorent respectivement le rendement en Li de 0,8 %, 0,0 %, 1,0 % et 0,3 %, mais induisent un faible rendement d’extraction des impuretés (Al, Na, Fe, Ca, Mn et K) avec un total de 0,5 % at/at du concentré de spodumène après extraction liquide. La consommation de H2SO4 par les impuretés est estimée être entre 7 et 13 % montrant que plus de la moitié de l’excès d’acide ne réagit pas. Ces observations mènent à rejeter, au moins pour les concentrés à faibles teneurs en impuretés, l’hypothèse d’une consommation de H2SO4 par les impuretés comme étant la raison pour la nécessité d’un excès de 30 %. Néanmoins, il a été démontré que le rendement en Li diminue avec la teneur en impureté, ce qui serait expliqué par une inclusion de particules de β spodumène dans des particules d’impuretés (principalement du quartz) de taille supérieure.

La plus grande retombée de cette étude est l’avancement des connaissances sur la décrépitation (ou éclatement des cristaux sous l’effet de la chaleur) du spodumène et l’impact des impuretés sur l’extraction du lithium du beta-spodumène lors de la chauffe en présence d’acide sulfurique. Cela permettra d’améliorer deux étapes importantes du procédé pour extraire les composés du lithium d’un concentré de spodumène.