自电再生式电控离子交换系统在脱盐及提锂方面的应用

发布时间：2020-06-04 15:42

【摘要】：电控离子交换(Electrochemically switched ion exchange,ESIX)技术作为环境友好的离子分离与回收方法引起了极大的关注,在ESIX过程中,通过控制覆载或电沉积在导电基体上的电活性材料的氧化还原电位可以实现目标离子可逆的置入与释放,从而使处理液中的离子得以分离并实现膜的再生。由于ESIX过程主要由电极电位所驱动,离子分离材料无需化学再生,因而避免了二次污染。然而,ESIX技术也存在技术上的不足,如:该技术在离子的置入和释放过程中都需要输入电能,相对能耗大。为了实现ESIX技术的能量循环利用和离子回收效率的提高,本文研发了一种自电再生式ESIX系统,该系统可以在提取离子的同时自发产生能量,并可为后期的离子回收提供部分所需的能量。海水是淡水资源的重要来源,其有效利用正在成为淡水的重要来源。针对海水淡化问题,本研究首先采用化学沉淀法制备出了铁氰化铁(FeHCF)和聚吡咯(PPy)材料,将两种电活性材料制成膜并分别作为储Na~+和储Cl-电极,然后应用自电再生式ESIX系统成功地从模拟海水溶液中去除NaCl,并考察了不同操作条件下的离子交换容量及能耗,经过对比选择出最佳操作电流。在最佳操作条件下,其离子交换容量可达79.6 mg·g~(-1),能耗低至0.14 kWh·m~(-3);即使经过100次脱盐循环后,其脱盐容量仍可保持初始容量的86%。同没有自电再生系统的传统ESIX方法脱盐相比,该自电再生式ESIX系统可以降低约65%的能耗。另一方面,随着新能源、电子信息产品的快速发展及锂动力电池的普遍应用,锂的需求量和价格急剧增加。针对锂回收的问题,本文通过水热法合成出λ-MnO_2和氯氧化铋(BiOCl)材料,将两种材料制成膜电极并用于选择性地提取Li~+离子和Cl~-离子,并应用自电再生式ESIX系统成功实现了低能耗卤水提锂,并考察了不同电流密度下λ-MnO_2和BiOCl膜电极的离子交换容量,在最佳电流密度下进行了ESIX过程一步提取溶液中的LiCl测试,同时考察了在不同浓度的LiCl溶液中ESIX系统的离子交换容量,其中在10 mM的LiCl溶液中其离子交换容量可达42.02 mg·g~(-1)。在一个完整循环中自电再生式ESIX系统所需的能耗约为13.5 Wh·mol~(-1)。即使经过200次提锂循环后,该工艺仍可保持其初始容量的96.2%。此外,与传统的ESIX方法应用于卤水提锂相比,自电再生式ESIX系统大约可节省66%的能耗。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ085.47;TQ131.11;TQ028.8

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