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锂及其化合物广泛应用于医药、陶瓷、玻璃、化工、电子等领域,特别是在航天、核能、新能源工业中的开发应用,更是备受世人关注。随着人类对锂及其化合物需求的不断扩大,陆地锂资源日渐缺乏,人们将目光转向蕴藏着丰富锂资源的海水中。由于海水中锂浓度极低,因而离子筛吸附材料成为海水提锂的最具有发展前景和最具实用性的材料,成为科学家们研究的热点。本论文研究了锂锰复合氧化物锂离子筛的制备及其吸附性能和再生能力,为开发一种对锂吸附选择性好、循环利用率高、成本相对较低且对环境无污染的锂吸附剂作了前期的探索研究工作。
1、用Li<,2>CO<,3>作为锂源、MnO<,2>作为锰源,采用微波一高温固相合成法制备离子筛前驱体LiMn<,2>O<,4>。考察了不同Li/Mn摩尔比、不同焙烧温度、不同焙烧时间对合成产物结构的影响,确定了最佳合成条件。用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、红外光谱(IR)对产物进行结构表征。结果表明:制得的LiMn<,2>O<,4>产物结晶度高,无杂相,棱角分明,晶形较完美,为典型的尖晶石形貌。红外光谱在613、510、1035 cm<-1>处分别有对应于产物中Mn(Ⅳ)—O、Mn(Ⅲ)—O和Li—O键的吸收峰。
2、采用盐酸作为抽提剂,对前驱体进行洗脱抽锂,考察不同浓度盐酸和不同酸浸时间对锂的迁出和骨架中锰的溶损的影响。结果表明:在静态洗脱中,当盐酸的浓度在1.0 mol·L<-1>、洗脱时间在24h时,前驱体中锂的迁出率较大,同时骨架中锰的溶损相对较低。从XRD图谱分析可知:酸洗对产物尖晶石结构没有影响,只是由于部分锂被氢取代,导致晶胞收缩;同时由于H<+>的进入,削弱了Li—O键,增强了Mn(Ⅲ)—O键,所以在红外光谱图中,Mn(Ⅲ)—O键的吸收峰发生了蓝移,Li—O键的吸收峰发生了红移。在模拟动态实验中,前驱体采用浓度为1.0 mol·L<-1>的盐酸重复洗脱5次即可达到锂离子筛的要求。
3、在锂离子筛吸附条件的研究实验中,考察了不同酸度下离子筛对锂的吸附能力的影响,确定了合适的吸附条件。实验表明:溶液的酸度对吸附反应有很大的影响,酸度越小,越有利于吸附反应的进行。在静态吸附实验中,在pH=8时,离子筛对锂的饱和吸附容量达5.99mg·g<-1>。随着pH值从9增大到11,离子筛对锂的吸附量缓慢升高。在海水提锂的实际应用中,pH值控制在8~9较为合适。
4、由于静态条件下离子筛对锂的吸附容量较小,采用了模拟动态法进行吸附实验。另外,通过对离子筛的吸附产物进行再次酸洗-吸附实验,对锂离子筛再生能力作了初步研究。实验表明:不断更新锂溶液,有利于离子筛对锂的吸附反应的进行,模拟动态法实验中离子筛对锂的吸附容量较静态法要高,在pH=8的锂溶液中,离子筛对锂的吸附容量达到 11.3mg·g<-1>。其再生率可达76%,可以循环使用。