Литературный и патентный поиск технологий, основанных на извлечении лития из попутно добываемых вод

Введение
На мировом рынке 90 % добычи лития приходится на крупных производителей, остальной рынок поделен среди небольших предприятий. Крупнейшими производителями литиевого сырья (карбоната лития) из гидроминеральных ресурсов являются Чили, Аргентина, Боливия, Китай и Австралия. Австралия занимает первое место по производству сырья, но производит его из руды (данным способом получается продукт более низкого качества и низкой стоимости по сравнению с другими способами). Если рассмотреть весь путь переработки лития, начиная с его извлечения из недр земли и заканчивая его появлением в виде готового продукта, то можно выделить три основных направления переработки.
Производство сырья (карбоната лития). В России это направление не развито, поэтому мы ежегодно импортируем этот продукт: в 2021году в страну ввезли 5 тыс. т карбоната лития из Чили и Аргентины, а так же 223 т гидроксида лития из Китая и США. Вторым направлением является переработка литиевого сырья в различные соединения лития, получение чистого металлического лития, изотопов лития, литий-алюминиевых и литий-магниевых сплавов, а также солей лития. Данное направление представлено четырьмя крупными предприятиями: АО «Сибирский химический комбинат», ПАО «Химико-металлургический завод», ПАО «Новосибирский завод химических концентратов» и ООО «Халмек Литиум». Если рассмотреть весь путь переработки лития, начиная с его извлечения из недр земли и заканчивая его появлением в виде готового продукта, то можно выделить три основных направления переработки.
Третье направление занимается производством непосредственно товаров на основе соединений лития. 60 % российских предприятий производят литиевые батареи – это АК «Ригель», НПП «Источник», ЗАО «Квант» и ряд других; оставшиеся 30 % производят стекло (ОАО «Красный луч») и смазочные материалы (ООО «Производство завод имени Шаумяна»). и прочие. Потребление эквивалента карбоната лития в 2000 г. составляло около 68 тыс. т, а в 2019 г. оно достигло 315 тыс. т, что в 4,6 раза больше. Для сравнения, мировое потребление нефти за период 2000–2019 гг. выросло почти на треть. Литиевая индустрия стала одной из самых быстрорастущих в области добычи полезных ископаемых.
Таким образом, подтверждается спрос на сырье и отсутствие его производства в России. В то же время литий и другие металлы содержатся в подтоварной воде нефтегазовых месторождений (минерализация вод достигает 400 г/л, а концентрация лития – 500 мг/л). В настоящее время в нефтегазовой отрасли данное ценное сырье не извлекается, а вместе с водой закачивается в систему поддержания пластового давления (ППД).
Данные по концентрации лития в подземных водах месторождений РФ практически отсутствуют. В данной работе технология извлечения лития из пластовой воды рассмотрена на примере Оренбургского НГКМ (концентрация лития в среднем 49 мг/л), в связи с наличием базы по содержанию лития в пластовой воде и наличию профиля добычи подтоварной воды.
 
Разработка технологии извлечения лития из попутно добываемой с углеводородами пластовой воды
1. Способы извлечения лития
• Осаждение с концентрированием: упаривание жидкости с последующим осаждением лития. Реакция возможна только при низких концентрациях магния и кальция в рассоле.
• Выщелачивание лития из алюминатного концентрата проводят гидроокисью кальция. Полученные в результате осаждения на аморфном гидроксиде алюминия литийсодержащие соединения представляют собой коллоидные осадки, что сильно затрудняет их сгущение и фильтрацию. Технология извлечения лития из природных вод и рассолов с использованием различных алюминийсодержащих реагентов выгодно отличается от других технологий доступностью этих реагентов и простотой оформления технологических процессов, что делает его наиболее перспективным для промышленного применения.
Для разработки технологии извлечения лития из пластовой воды Баганского месторождения был опробован метод хемосорбции на свежеобразованном осадке гидроксида алюминия, который, в свою очередь, образуется из трехкальциевого гидроалюмината (ТКГА) и хлорида алюминия. Продуктом взаимодействия является хлорсодержащий алюминат лития.
• Сорбционный метод с применением сорбента ДГАЛ-Cl эффективен при высокой степени минерализации исходного раствора, коэффициенте R > 200 и pH.
Процесс периодический, но для обеспечения непрерывной технологии относительно процессов УПН и БКНС Оренбургского НГКМ на входе установки предложено строительство резервуара для накопления подтоварной воды, а также подобраны времена сорбции/десорбции под профиль добычи жидкости на месторождении. Представленная установка для данного месторождения позволит получать литий до 40 т/год, что эквивалентно потребности для производства 600 электромобилей Tesla model S.
1.2 Технико-экономическая оценка
На основании разработанной схемы был проведен экономический расчет капитальных и операционных затрат для строительства данной установки в Оренбургской области, выполнена оценка дохода от продажи лития в качестве сырья российским потребителям и оценен NPV проекта по извлечению лития на период 10 лет.
Также в ходе расчетов на примере Оренбургского НГКМ был выполнен поиск граничных параметров для рентабельности технологии.
Результатом работы стал расчетный модуль, позволяющий подобрать типоразмер и количество емкостного оборудования, а также количество сорбента в зависимости от объема поступаемой жидкости и величины концентрации Li в рассоле. Полученные данные унифицированы согласно стандартному набору оборудования в модуле капитальных и операционных затрат компании.