基于锂离子筛—还原氧化石墨烯复合膜电控分离液相中的锂离子

发布时间：2020-05-13 19:20

【摘要】：随着国家对新能源产业的大力推广,电动汽车及电池行业迅速发展,使得锂资源的需求也日益增长,世界上的锂资源大部分存在于盐湖卤水和海水中,从液相中提锂已然成为目前的研究热点。采用传统离子交换法分离锂离子,会造成分离时间久、产生二次污染以及回收困难等问题。电控离子交换(ESIX)技术是一种将电化学和离子交换结合的新型离子分离技术,避免了传统离子交换法存在二次污染的问题,且以电位作为推动力,提高了离子分离效率。将ESIX技术应用到锂离子的分离中,可以提高分离效率,同时能够处理较低浓度的锂离子溶液,并解决了传统离子交换存在二次污染的问题。在应用过程中,该技术的关键问题在于针对不同的离子开发不同的电活性离子交换材料,本文针对锂离子的分离,采用不同的制膜方法开发了H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/还原氧化石墨烯(rGO)和λ-MnO_2/还原氧化石墨烯/海藻酸钙(CA)两种复合膜电极用于电控分离溶液中的锂离子。基于锂离子筛H_(1.6)Mn_(1.6)O_4对锂离子良好的选择性吸附能力和rGO良好的导电性,采用真空抽滤法制得H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/rGO复合膜,结合ESIX技术,将该复合膜用于水溶液中低浓度锂离子的选择性电化学提取。结果表明,在锂离子初始浓度为200 mg·L~(-1)的溶液中,H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/rGO复合膜的吸附量可以达到38.78 mg·g~(-1),且吸附平衡时间为5 h,即使在10 mg·L~(-1)的低浓度溶液中吸附,H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/rGO复合膜的吸附量也可达到4.46 mg·g~(-1)。同时,H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/rGO复合膜对锂离子展现出良好的选择性,Li~+/Na~+和Li~+/Mg~(2+)的选择性分离因子分别为10.39和10.23。电控分离锂离子过程中,电推动力提高了离子传输效率和分离效率,与此同时,简单的制备方法更容易在锂离子分离中得到广泛的应用。为解决抽滤膜致密以及基体不导电的问题,本研究采用真空冷冻干燥法制备了一种新型的λ-MnO_2/rGO/CA三维多孔复合膜。结合ESIX技术,将λ-MnO_2/rGO/CA复合膜用于溶液中低浓度锂离子的提取。研究结果表明,在初始浓度为20 mg·L~(-1)的溶液中吸附,溶液中锂离子浓度在5 h内可以降到10 mg·L~(-1),吸附效率与吸附量高于静态吸附。同时考察了复合膜在-1.0 V的还原电位下对锂离子浓度为20 mg·L~(-1)的Li_2SO_4溶液的循环吸附性能,经过三次吸附后,溶液中的锂离子浓度降到2.5 mg·L~(-1),锂离子回收率可达到87.5%。该复合膜处理低浓度锂离子的效果优于H_(1.6)Mn_(1.6)O_4/rGO复合膜,且膜的尺寸不受限制,有利于规模化应用。
【图文】：

太原理工大学硕士研究生学位论文iMn2O4立方体晶胞，属于 Fd-3m 空间群，其晶格参数 a 为 8.24°A[87, 88]。代表 Li，蓝色和黄色球分别代表 Mn3+和 Mn4+，红色球代表 O，其中，8四面体 8a 位点，占据了 1/8 的四面体间隙，16 个锰原子位于八面体 16d 1/2 的八面体间隙，32 个氧原子位于面心立方体 32e 位点，而空出的 16位）、8d 以及 48f（四面体间隙位）位点可供锂离子的迁移，锂离子可沿 8进行迁移，实现锂离子的置入与置出[89, 90]。

太原理工大学硕士研究生学位论文浓度，单位为 mg·L-1，Qe为H1.6Mn1.6O4/rGO 复合膜的平衡吸附量，单位为 m伦德里希等温模型认为吸附为非均匀吸附，[112]其方程表示为：中 k 为弗伦德里希常数，，代表 H1.6Mn1.6O4/rGO 复合膜的相对吸附量1.6O4/rGO 复合膜的平衡吸附量，单位为 mg·g-1，Ce为吸附达到平衡后溶液，单位为 mg·L-1，1/n 为吸附强度。果与讨论1.6Mn1.6O4/rGO 复合膜的组建及其分离机理
【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】：TF826.3

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本文编号：2662423