Online monitoring of solubility of Li₂CO₃ in the NaCl–KCl–Na₂SO₄ system

ABSTRACT

The solubility and thermodynamics of lithium carbonate (Li₂CO₃) play an important role in industrial crystal production. The solubility of Li₂CO₃ in H₂O, NaCl, KCl, Na₂SO₄ and mixed NaCl–KCl–Na₂SO₄ solutions is measured, respectively, at temperatures ranging from 293.15 K to 368.15 K using the gravimetric method and immersion infra-red probe. The results suggested that the solubility of Li₂CO₃ exhibits a decreasing trend with increasing temperature. The impurity composition such as NaCl, Na₂SO₄ and NaCl–KCl–Na₂SO₄ can significantly affect the solubility of Li₂CO₃. It is higher than that in pure water, and the addition of KCl decreases its solubility in the temperature ranging from 293.15 K to 313.15 K. The Van’t Hoff and modified Apelblat models are further employed to correlate the solubility data of Li₂CO₃ in different systems. In addition, the thermodynamic data of Li₂CO₃ are calculated, which shows a non-spontaneous exothermal process and entropy reduction.

La solubilité et la thermodynamique du carbonate de lithium (Li₂CO₃) jouent un rôle important dans la production industrielle de cristal. La solubilité de Li₂CO₃ dans H₂O, NaCl (0.4374 mol/L), KCl (0.0600 mol/L), Na₂SO₄ (0.0013 mol/L) et les solutions mixtes NaCl–KCl–Na₂SO₄ est mesurée respectivement à des températures allant de 293.15 K à 368.15 K en utilisant une méthode gravimétrique et une sonde infrarouge à immersion. Les résultats suggèrent que la solubilité du Li₂CO₃ présente une tendance à la baisse avec l’augmentation de la température. La composition des impuretés telles que NaCl, Na₂SO₄ et NaCl–KCl–Na₂SO₄ peut affecter significativement la solubilité du Li₂CO₃. Elle est supérieure à celle de l’eau pure et l’ajout de KCl diminue sa solubilité dans la plage de température de 293.15 K à 313.15 K. Les modèles de Van’t Hoff et d’Apelblat modifié sont en outre utilisés pour corréler les données de solubilité de Li₂CO₃ avec la température dans différents systèmes. On observe un meilleur effet de corrélation en utilisant le modèle Apelblat modifié par rapport au modèle Van’t Hoff. De plus, on a calculé les données thermodynamiques de Li₂CO₃, qui montrent un procédé exothermique non spontané et une réduction de l’entropie. Collectivement, les données de solubilité et les paramètres thermodynamiques de dissolution de Li₂CO₃ vont fournir des directives importantes vers l’optimisation du procédé de cristallisation de Li₂CO₃ pour sa production industrielle.

KEYWORDS:

• Lithium carbonate
• solubility
• online monitoring
• impurity
• thermodynamics
• solubility parameters
• phase equilibrium
• crystallization

Disclosure statement

No potential conflict of interest was reported by the authors.

Data availability statement

Data will be made available on request.

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Funding

This work was supported by the National Key Research and Development Programme (grant number 2021YFC2901300).