الدور المهم لآلة غسل وتجفيف المرشحات في الإنتاج الآمن لسداسي فلوروفوسفات الليثيوم

يُعدّ سداسي فلوروفوسفات الليثيوم أحد المواد الأساسية في بطاريات الليثيوم أيون. وتحدد جودة المنتج أداء الشحن والتفريغ، وعمر الخدمة، وسلامة بطاريات الليثيوم أيون. ويؤثر أداء الإلكتروليت المُحضّر من سداسي فلوروفوسفات الليثيوم ومذيبات الكربونات العضوية بشكل مباشر على سعة الشحن والتفريغ، وعمر الدورة، وسلامة بطارية الليثيوم أيون الثانوية. ونظرًا لخاصية استرطابه العالية، فإنه يتحلل بسهولة في الهواء، لذا فإن شروط تحضيره صارمة للغاية، كما أن بيئة التعبئة والتخزين تخضع لمتطلبات صارمة أيضًا. ويتحلل إلى حمض عند ملامسته للماء، مما يُسبب تآكلًا للأنسجة البشرية، ويجب تجنب ملامسته المباشرة. ويجب تخزينه في حاوية محكمة الإغلاق. وعند الاستخدام، يجب أن تكون الرطوبة أقل من 10 جزء في المليون لمنع التحلل.

تُعدّ طريقتان رئيسيتان لتنقية LiPF6 هما التجفيف الحراري الفراغي وإعادة التبلور بالذوبان. تعتمد طريقة إعادة التبلور بالذوبان على إذابة LiPF6 في الإيثر أو ثنائي ميثيل الكربونات أو ثنائي إيثيل الكربونات عند درجة حرارة معينة، ثم فصل المواد غير الذائبة بالطرد المركزي، وبعد ذلك خفض درجة الحرارة، مما يؤدي إلى إعادة تبلور LiPF6 من المذيب العضوي. تُجفف بلورات LiPF6 الناتجة بالترشيح تحت الفراغ للحصول على المنتج النهائي، كما هو موضح في براءة الاختراع الصينية CN1884046. إلا أن هذه الطريقة معقدة نسبيًا ولا يمكن تطبيقها بشكل مستمر. كما أن عملية إعادة التبلور تُحمل بعض المذيبات العضوية، مما يؤثر على نقاء المنتج، ويؤدي استخدام كميات كبيرة من المذيبات العضوية في عملية التنقية إلى زيادة تكاليف الإنتاج، مما يجعل تطبيق LiPF6 على نطاق واسع أمرًا صعبًا. بالإضافة إلى ذلك، يكشف براءة الاختراع الصينية رقم CN1462722 عن طريقة لاستخدام الغاز الحمضي لإزالة الرطوبة من سداسي فلورو فوسفات الليثيوم (LIPF6). من ناحية أخرى، لا تستطيع هذه الطريقة إزالة فلوريد الهيدروجين من المنتج الخام لسداسي فلورو فوسفات الليثيوم، كما أنها تُدخل شوائب من الغاز الحمضي.

بالمقارنة مع الطرق المذكورة أعلاه، تعتمد طريقة التجفيف الحراري الفراغي على تسخين وتنقية منتج LiPF6 الخام مباشرةً في حالة فراغ، وهي طريقة تنقية مناسبة للإنتاج واسع النطاق لـ LiPF6، ويمكنها تجنب التلوث الثانوي لـ LiPF6 في طريقة إعادة التبلور بالذوبان. تكمن المشكلة الرئيسية في طريقة التجفيف الحراري الفراغي في كيفية تجنب تحلل LiPF6 أثناء عملية التسخين، مع تعريض كل جزيء من منتج LiPF6 الخام بالكامل لبيئة الفراغ، بحيث لا يوجد أي شوائب من فلوريد الهيدروجين في منتج LiPF6 النهائي، وبالتالي يكون محتوى فلوريد الهيدروجين في منتج LiPF6 أقل من 80 جزءًا في المليون.

ومع ذلك، ونظراً لسمية سداسي فلوروفوسفات الليثيوم، يجب إدارتها بدقة أثناء إنتاج وإدارة سداسي فلوروفوسفات الليثيوم، والأهم من ذلك، اختيار معدات إنتاج سداسي فلوروفوسفات الليثيوم الأكثر ملاءمة.

بهدف التغلب على المشكلات المتعددة التي تواجه عمليات التبلور والترشيح والتجفيف التقليدية لسداسي فلوروفوسفات الليثيوم، ومواكبة التحول الذي يشهده قطاع الصناعات الكيميائية نحو إنتاج منتجات عالية الجودة وذات قيمة مضافة عالية ومتنوعة بكميات صغيرة، نجحت شركة ووشي تشانغ هوا للآلات المحدودة في تطوير وإنتاج آلة متكاملة للترشيح والغسل والتجفيف لسداسي فلوروفوسفات الليثيوم (رقم براءة الاختراع: 202122464595.4).

تتعلق التقنية الجديدة بمجال فصل وتنقية إلكتروليتات بطاريات الليثيوم. وتستخدم ترشيح النيتروجين المضغوط والتجفيف النبضي الفراغي بدرجة حرارة منخفضة لإزالة فلوريد الهيدروجين والشوائب من منتجات سداسي فلوروفوسفات الليثيوم الخام. وتوفر هذه التقنية إنتاجًا عالي الكفاءة وآمنًا ومستمرًا لستة أنواع من سداسي فلوروفوسفات الليثيوم. كما أنها مزودة بجهاز خاص لتنقية وتجفيف أوكسي فوسفات الليثيوم.

تتميز آلة غسل وتجفيف مرشحات الليثيوم سداسي فلوروفوسفات المخروطية المنقاة ببنية أسطوانية مخروطية، حيث تم تركيب غلاف تسخين على الجسم الدائري والمخروط السفلي لتسخين أو تبريد المادة. تحتوي الآلة متعددة الوظائف على عمود مجوف وموصل متغير الزاوية. يُستخدم جهاز التقليب الحلزوني المجوف لخلط القالب، حيث يقوم بتقليب المادة ورفعها، ثم يدفعها للخارج عند تفريغها. يحتوي المخروط السفلي على جهاز ترشيح مخروطي ذي بنية معقدة نسبيًا، بينما يحتوي الجزء السفلي من الجهاز على جهاز تفريغ سريع الفتح بدون زاوية ميتة، أو صمام كروي هوائي للتفريغ بدون زاوية ميتة.

في مرحلة التفاعل، تُضاف مواد التفاعل من الأعلى. يضمن تصميم التحريك الفريد خلط المواد بالتساوي داخل الجهاز، حيث تُسخّن أو تُبرّد في آنٍ واحد عبر الغلاف الأسطواني، والغلاف المخروطي، والعمود المجوف، والشريط المجوف، مما يُتيح تفاعل المواد بشكل كامل داخل الجهاز. في مرحلة الترشيح، يقوم الجهاز بترشيح وتجفيف المواد عن طريق الضغط أو التفريغ، مع إضافة سائل الغسيل، مما يسمح بإعادة تدوير المواد وغسلها تلقائيًا عدة مرات داخل الجهاز، ثم تُكبس لتجفيفها بعد استيفاء متطلبات الغسيل. في مرحلة التجفيف، يُسخّن الغلاف الأسطواني، والغلاف المخروطي، والعمود المجوف، والشريط المجوف المواد في الوقت نفسه، مع تفريغ الجزء العلوي، لتجفيف المواد بإحكام تحت درجة حرارة منخفضة، ثم يُغلق الجهاز تلقائيًا ويُفرغ المواد بعد التجفيف.

تحسين تقني لآلة غسل وتجفيف مرشح مخروطي لتنقية سداسي فلوروفوسفات الليثيوم

(1) يتم إغلاق محلول الأم للتبلور وبلورات سداسي فلوروفوسفات الليثيوم وترشيحها من أجل الفصل الفعال، مما يقلل بشكل فعال من محتوى أيونات المعادن الشائبة.

تُستخدم طريقة التجفيف الحراري التقليدية على نطاق واسع، إلا أنها تستغرق وقتًا طويلاً لتجفيف البلورات، وتعاني من عيوبٍ مثل عدم اكتمال التجفيف، وعدم القدرة على إزالة حمض الهيدروفلوريك من المنتج بكفاءة وسرعة، مما يؤثر سلبًا على جودته. أما منتج سداسي فلوروفوسفات الليثيوم المُستخلص بالترشيح والتنقية، فتبلغ نقاوته أكثر من 99.9%، وتتميز العملية بمستوى عالٍ من الأمان، وإمكانية إعادة تدوير المحلول الأم، وانخفاض التكلفة.

(2) تشغيل مغلق بالكامل، يتم تشغيله تحت حماية ضغط الأكسجين الإيجابي.

يتحلل سداسي فلوروفوسفات الليثيوم بسهولة عند ملامسته للماء. ونظرًا لخاصية امتصاصه العالية للرطوبة، فإنه يتحلل بسهولة في الهواء، كما أن شروط تحضيره دقيقة للغاية. يتطلب ذلك أن تتضمن عملية إنتاج سداسي فلوروفوسفات الليثيوم نقاءً عاليًا، ودرجة حرارة منخفضة، وخلوه من الماء والغبار. ولذلك، تُجرى جميع العمليات في النظام تحت حماية غاز خامل. يُفضل استخدام غاز النيتروجين كغاز خامل، ويُملأ النظام به لضمان ضغط موجب، مما يمنع الهواء من ملامسة المنتج بفعالية.

(3) في عملية التجفيف، يُعتمد التسخين متعدد المراحل ودرجات الحرارة: في المرحلة المبكرة من التجفيف، تُستخدم درجة حرارة منخفضة وتسخين بطيء لإزالة الحمض المتبقي على سطح البلورة؛ ويُقلل وقت قسم التجفيف بدرجة حرارة عالية في المرحلة اللاحقة لفصل الكبريت الحر بشكل فعال، ويُخفض مستوى تحلل LPF6 إلى أدنى حد.

(4) يتم اعتماد طريقة التجفيف بالتفريغ النبضي للنيتروجين في المرحلة اللاحقة من التجفيف، مما يؤدي إلى تقصير وقت الانفجار الجاف لبلورات LiPF6، ويجعل التجفيف موحدًا، ويحسن كفاءة وجودة التجفيف، ولا يؤدي إلى تراكم أو انسداد المواد في حجرة التجفيف بعد التجفيف.

يُسخّن المادة قسرًا داخل جسم مخروطي الشكل، ما يُتيح تبادلًا حراريًا كاملًا بين المادة وشريط التسخين والجدار أثناء تحرك المادة بشكل غير منتظم في جميع الاتجاهات، ويتحقق بذلك هدف الخلط والتجفيف في وقت قصير تحت الفراغ. يستخدم تصميم الخلط النبضي الجديد النيتروجين عالي الضغط لصدم المواد وخلطها بسرعة. يتميز الخلط بسرعة وتجانس أكبر، كما يُمكن إزالة الحمض الموجود داخل بلورات المنتج وكمية ضئيلة من الحمض المتبقي على السطح بسرعة. بالمقارنة مع طريقة التجفيف الحراري التقليدية، يُمكن للتجفيف المباشر بالهواء باستخدام نبضات النيتروجين تقصير وقت التجفيف بشكل كبير، وفي الوقت نفسه تقليل محتوى الأيونات الحرة في المنتج، وإزالة شوائب حمض الهيدروفلوريك بفعالية، وتحسين جودة المنتج، وجعله أكثر ملاءمة لعمليات الإنتاج.

(5) يتميز سداسي فلوروفوسفات الليثيوم بثبات حراري أقل من أملاح الليثيوم الأخرى. إذ يمكن أن يتحلل إلى فلوريد الليثيوم وخماسي فلوروفوسفات الليثيوم بكميات ضئيلة عند درجة حرارة 60 درجة مئوية. بعد أن يصبح مؤشر الحموضة الحرة مناسبًا، يُجرى تبريد سريع لتقليل تأثير منطقة الحرارة العالية على المواد غير الذائبة.

(6) يستخدم كل من مصدر الحرارة ومصدر البرودة آلة تسخين قوالب الزيت الموصلة للحرارة مع تحكم دقيق في درجة الحرارة

تُوفر آلة تسخين قوالب الزيت الساخن وسطًا حراريًا منخفض الضغط وعالي الحرارة، مما يُسهل ضبطها، ويُوفر تسخينًا متجانسًا، ويُمكنها تلبية درجة حرارة العملية المطلوبة بدقة. عندما تتجاوز درجة حرارة زيت نقل الحرارة 80 درجة مئوية، يجب عزله عن الهواء، وإلا سيتبخر زيت نقل الحرارة بسرعة ويتلف. زيت نقل الحرارة قابل للاشتعال، لذا يجب اتخاذ تدابير فعالة للوقاية من الحرائق.

(7) تم اعتماد مانع تسرب ميكانيكي مزدوج الطرف يجف في الهواء.

يستبدل هذا النظام مبدأ "الحجب السائل" التقليدي بمبدأ "الحجب الغازي"، أي استبدال سائل الختم المضغوط بغاز مانع للتسرب لضمان "عدم تسرب" وسيط العملية. تعمل مجموعة موانع التسرب بالكامل دون تلامس، ويبلغ استهلاكها للطاقة 5% فقط من استهلاك مانع التسرب التقليدي ذي الطرفين، وعمرها الافتراضي أطول بخمس مرات من مانع التسرب التقليدي. يضمن النظام المساعد ذو البنية البسيطة عدم تلوث وسيط العملية وعدم تسربه إلى الغلاف الجوي، مما يلغي تمامًا اعتماد مانع التسرب الميكانيكي التقليدي ذي الطرفين على نظام تبريد الماء والزيت. يستخدم غاز الختم النيتروجين الصناعي أو هواء الأجهزة الصناعية، ويكون ضغطه أعلى بمقدار 0.15 إلى 0.2 ميجا باسكال من ضغط وسيط العملية.

(8) نظام تحكم آلي، قادر بذكاء على فحص حالة تشغيل المعدات وجفاف المادة؛ لا يتطلب تشغيل يدوي لتوصيل خط أنابيب المعدات بشكل متكرر، مما يقلل من كثافة العمل، ويستخدم النيتروجين الساخن لعزل المادة عن الهواء، والحفاظ على حموضة المنتج مستقرة، وذلك بفضل النقل المحكم للهواء طوال العملية، وبالتالي تكون جودة المنتج أكثر استقرارًا والتشغيل أكثر أمانًا وراحة.