第26卷第3期 2010年3月 无 机 化 学 学 报 CHINESE JOURNAL OF IN0RGANIC CHEMISTRY Vo1.26 No.3 435—439 LiMn2O4离子筛成型及锂吸附性能 肖国萍 彭 洁 张钦辉 于建国 (华东理工大学化工学院,化学工程联合国家重点实验室,上海 2002371 摘要:采用PVC为粘结剂制备了LiMn20 离子筛球型颗粒,分析了PVC添加量对离子筛吸附性能的影响并通过扫描电境 .(SEM)、静态和动态连续锂吸附实验研究了PVC粘结剂对离子筛形貌和锂离子吸附性能的影响。结果表明,SMO-a、SMO.b和 SMO—P样品的锂离子静态吸附数据与Lagergren方程吻合良好,吸附速率常数依次为103xlO4、1.06xlO- ̄s一 和9.72x104 s~: .SMO—a样品的静态饱和吸附量达到2.50 mmol・g~,PVC造粒对离子筛的静态条件下的饱和吸附容量和吸附速率影响很小但连 .续动态操作条件下SMO.a的吸附容量降低为1.11 mmol・g-i;经盐酸洗涤脱附后,Li+最大富集倍数约为9。 关键词:二氧化锰;离子筛;锂;选择性吸附;卤水 中图分类号:0614.111;0614.71 1 文献标识码:A 文章编号:1001—4861(2010)03—04350.05 Granulation to LiMnzO4 Ion-Sieve and Its Lithium Adsorption Property XIAO Guo—Ping PENG Jie ZHANG Qin-Hui YU Jian-Guo (State Key Lab of Chemical En ̄neenng,College f oChemical Engineering East China University fScioence and Technology,Shanghai 200237) Abstract:The granular—type LiMn2O4 adsorbent was prepared by the solvent—exchange method using PVC as a binder and was then changed to H type ion.sieve by proper dilution with HC1 solution.The effect of PVC content during the preparation process was studied on the surface morphology and the lithium—ion exchange ability were studied by SEM and static/dynamic adsorption—desorption measurement.Static adsorption kinetics of SMO-a,SMO—b and SMO—P sample is well accorded with Lagergren equation with the first order adsorption rate constant of 1.03x l0 ,1.06xlO and 9.72x10 S~,respectively,and the static ion—exchange capacity for lithium ions of SMO.a is 2.50 mmol・g~.The PVC—granulation process of LiMn2O4 superfine powder has little influence on the static adsorption capacity of the ion—sieve,however,the capacity decreases to 1.1 1 mmol・g—during the dynamic adsorption process. The maximum enrichment of lithium as evaluated by hydrochloric acid elution iS 9 folds. Key words:MnO2;ion—sieve;lithium;selective adsorption;brine 锂金属及其化合物是国民经济和国防建设中具 最具开发价值的盐湖区之一:但绝大部分卤水ng/ Li比值高达500~1800.传统的“沉淀一结晶”技术不 有重要意义的战略资源。被誉为“推动世界进步的能 源金属”f1 锂资源主要赋存于伟晶岩型固体矿床、l 适合此类资源的结构特点。因此以锂离子筛为吸附 剂的分离技术是最有望实现高镁锂比卤水提锂的技 术之一。 盐湖卤水和海水.全球近80%的锂盐是卤水提锂产 品.综合开发和利用卤水锂资源已成为锂工业发展 的主流 我国西部拥有丰富的卤水锂资源.是世界上 收稿日期:2009—09—21。收修改稿13期:2009.12—24。 日本学者Kenta Ooi等在离子筛的合成及吸附 国家自然科学基金(N0.20576031);上海市科委纳米专项(No.0852nm02100);教育部科学研究重点项通讯联系人。E-,nail:qhzhang@ecust.edu.en (No.m8144)资助。 第一作者:肖国萍,女,25岁,博士研究生;研究方向:无机氧化物成型及其吸附性能。 436 无机化学学报 第26卷 机理方面做了大量研究,成功合成出LiMn 0 _2-4], LiL33Mn1-6704【 ,Lil 6Mn1 604『 一 1离子筛,其中Li1 33Mn1 6704 和Li 1Mn O 对锂离子的最高吸附量分别达到3.67 得LiMn20 前驱体,标记为LMO.P。 1.1.2超细粉体的成型造粒 称取一定量的PVC(聚合度为1000_+20)溶解在 66 mL的Ⅳ-甲基吡咯烷酮fNMP)中,溶解完全后,加 入LiMn,0 并搅拌均匀。然后将该混合物逐滴滴人 去离子水中.并用去离子水洗涤完全.得到的粒子在 105 静态空气中干燥12 h.制备出直径为2.0~ 和7.50 mmol・g—I 本课题组也通过高温固相合成出 Li TiO ,Li4MnsO 2【 0】和LiMn204【“-121离子筛,并采用水 热反应方法合成出低维纳米棒状LiMn,0 4】离子 筛,Li MnsO 的最大吸附量达到6.76 mmo卜g~。但粉 体离子筛在吸附一脱附过程中床层阻力大.床层易 3.5 mnl的球型颗粒 当NMP为66 mL.PVC用量分 坍塌完全阻断流体.而且固一液分离非常困难_l5】 日 本海洋资源与环境研究所采用PVC溶于Ⅳ.Ⅳ一二甲 基甲酰胺(DMF)溶液中作粘合剂.LiMn,0 成型前对 锂的最高吸附量为1.12 mmo1.g~.成型后最高吸附 量为0.69 mmol・g一:Li MnI 6704成型前对锂的最高 吸附量为3.67 mmo1.g~.成型后最高吸附量为2.59 mmo|・g<O6J 钟辉等『l7J利用三聚氰胺一甲醛在碱性介 质中的缩合反应进行成型.交换容量为2.02 mmo1. g~TiO ,在足够的“+和充分交换时间条件下,交换 容量才能与粉末离子筛持平 目前研究表明粒状吸 附剂的吸附性能较粉末状吸附剂有很大程度的下 降 如何在造粒成型过程中保持粉状离子筛的性质 已成为制约离子筛应用的关键问题 因此本研究采用聚氯乙烯(pvc)溶于AL甲基吡 咯烷酮fNMP]中作粘结剂,对LiMn20 进行粘合成 型,经在线盐酸处理后得到尖晶石结构的A.MnO, 锂离子筛。通过SEM,吸附动力学.固定床动态吸 附一脱附曲线等方法对锂离子筛成型前后锂吸附性 能进行研究比较.为离子筛的应用提供基础数据 研 究结果发现.此成型工艺对离子筛的饱和吸附量和 吸附速率影响很小.粒状离子筛保持了粉状离子筛 的性质 1 实验部分 1.1离子筛的制备 1,1.1 LiMn 0 超细粉体的制备 以锰为锰源,氨水为沉淀剂,在室温、连续 搅拌的条件下,将Mn(NO3),水溶液滴加到氨水中: 沉淀过程结束后,继续搅拌,静置老化:然后用去离 子水洗涤完全.再用无水乙醇洗涤置换沉淀物中的 残余水分;最后将此沉淀物在常压、120℃、流动N, 中干燥 称取适量上述样品,按照Li/Mn物质的量的比 为0.6,以LiOH・H 0为锂源.采用浸渍法将上述两 种物质混合均匀,于830 oC静态空气中焙烧8 h.获 别为4.9、4.0、3.0 g,加入的LiMn 04为20.0 g时,所 制备成型的离子筛前驱体依次标记为LMO—a、LMO. b和LMO.e。 1.1.3粒状离子筛的制备 在静态条件下用0.5 mol・L 盐 ̄(H+/Li+物质的 量的比为21进行酸浸脱锂.所得颗粒用去离子水洗 涤完全.并在105℃静态空气中干燥12 h即可获得 粒状锂离子筛 LMO.a.LMO.b.LMO.c前驱体样品 经酸浸脱锂后相应记为SMO—a,SMO—b,SMO.c;对应 的粉末状离子筛入.Mn0 标记为SMO.p 1.2样品表征 采用日本JEOL公司的JSM.6360LV扫描电子 显微镜来观察表面形貌信息.采用的放大倍数为 1000和4000 将离子筛在液氮冷冻下进行淬断以观 察离子筛断面结构.样品预先在表面蒸镀一层厚度 约l0~20 nm的导电层Au膜 1.3离子筛静态吸附性能测定 称取一系列0.2 g离子筛样品放人具塞三角瓶 内.分别加入100.0 mL 0.01 mo卜L—LiC1溶液中 fpH=10.1,用含有0.1 mol・L~NH C1和0.1 mol・L NH ・H 0的缓冲溶液调节,物质的量之比为0.25)。 放入恒温振荡器.转速130 r.min- .温度恒定在 3O℃。定时取上层清液用Metrohm 861离子色谱仪 f色谱柱为Metrosep C2 100/4.0 column)N4定其中Li+ 浓度,直到溶液中的锂离子的浓度达到恒定 根据公式f1)计算锂离子吸附量,并采用 Lagergren[ 8l方程对锂离子吸附曲线进行吸附动力学 方程拟合 Q =(Co—C,)x V/W f11 时刻的吸附量,Ill/nO1.g一 C『_吸附前溶液中Li+的浓度.mo卜L— c=f一吸附后溶液中t时刻Li+的浓度.mo卜L 一溶液的体积.mL 加入的离子筛质量。g ln(Q 一Q )=lnQ 一 ・t(2) 第3期肖国萍等:“Mn:0。离子筛成型及锂吸附性能LjCl437优平衡时每克吸附剂的吸附量f—,mmo卜g.—溶液fpH101);脱附过程通人=.1O.moJL.t的盐p14.一。时刻每克吸附剂的吸附量Lagergren吸附速度常数,mm01g一酸溶液(Me.定时取样..用IC分析流出液中Li浓度+.i}ads,s’tmsepC2100,4Ocolumn)在线检测流出液中Li,。+离子筛动态吸附/脱附性能测定的浓度随流出液体积的变化关系一采用固定床对SM0价。.一a进行动态吸附脱附评cm.其中操作流速为O3268.:O9629.mL.min:线速度为其中固定床规格为①15×15,其中中部6cm装填.mh~.液体从下向上流动装填样品SMO-b.离子筛其余空间对称装填不同粒度的石英砂装置如图1所示。高度为6—cm,对应SMO-h的质量为,281.g.离子筛A.Mn0的质量为22381.g。吸附过程从固定床底部通人00lmm01L.—OOl。InolL’LiC然就?妊图1ng1.离子筛动态吸附/脱附性能实验装置图forlithiumSchematicsetl】pion—sievedynamicadsorption/desorptionpmcess221.结果与讨论SEM表征离子筛大量镶嵌在PVC骨架中比较图像。A和图像.B.可以看出SM0。一a的内部的离子筛结构疏松负载量较外表面大SMO_b,样品也表现出同样的规律05..图2为SMO_a和SM0-b样品的表面及内部的SEM图像。其中表面上的孔丰富直径在A.。10¨m.。比较图像从图像A中可以看到离子筛比较均匀的—和图像C可以看出SM0-b样品外表面孔隙较.粘合在粒状物质的表面SMO,a的表面存在孔隙从。,,多并且分布均匀表面孔隙减少.。原因是PVC的量的增加使得外图像B中可以看出PVC骨架清晰PVC成蜂窝状图2Fig_2颗粒状离子筛的SEM图像aSEMimges《granularlithiumion—sieves12.离子筛静态吸附性能的实验结果图3是SM0_a,从图.3中可以看出。.样品SM0_a在初始24h,SM0-h及SM0er-p。样品的静态吸成型效果不好一内吸附量增长较快溶液中的Li浓度高+这是由于在吸附的初始阶段。附动力学曲线及Laggren方程拟合.。传质推动力大IgSM0..a,sMO_h。离子筛成型过程中发现.LM0一c,SMO220.—p的饱和吸附量分别为l238mmol~g,粒子间黏附作用强在静态酸洗过程中SM0,c粒子,mmo一,199.mm0。从Lagergren方程模拟=粉化现象严重:LM0_a和LMO_b粒子机械强度好,结果可以看出ln(p,一。p)对。f具有很好的相关性假z在静态酸洗过程中粉化现象不明显成型效果良好。09817).,表明hgergren方程可以用来描述锂离子438 无机化学学报 第26卷 Inset:Simulation according to Lagergren equation 图3 离子筛的静态吸附动力学曲线及Lagergren拟合 Fig.3 Lithium adsorption kinetics of lithium ion—sieve 在离子筛上的动力学行为 通过斜率计算可以得到 吸附速率常数 :1.03xl0-5 s-t,表明其总的传质速 率比较缓慢 样品SMO b,SMO.D也表现出同样的 规律。同理可算出吸附速率常数 分别为1.06x 10-5 s~.9.72x104 s~ 由此可以看出,粉状离子筛的 吸附速率很慢,控制步骤为颗粒扩散步骤_19】。PVC溶 解在NMP中进行直接粘合成型对离子筛的饱和吸 附量及吸附速率影响不大 原因可能是静态吸附实 验在振荡器中进行.已消除外扩散的影响。PVC成 型之后.粒状样品的内部结构疏松.外表面存在大量 的孔隙.整个吸附过程的控制步骤仍为颗粒扩散步 骤 此时成型T序对锂离子的传递影响较小 2.3离子筛动态吸附一脱附性能的实验结果 图4为SMO.a固定床的吸附流出曲线 从该曲 线可以看出.操作开始时该固定床已经穿透.溶液中 的TJi+不能在短时问内完全被吸附 计算得出:通入 该固定床总的IJi+为:8.65 tnmol:固定床流出的L 总 量为:6.17 mmol:所以吸附的Lj+总量为:2.48 mmol, 粒状离子筛的吸附容量为:1.1l mlTIO1.g~,远小于该 离子筛的静态饱和吸附容量 其中在流出液体积为 495 mL时.操作暂停了12 h.该部分流出液在固定 图4 SMO—a的吸附流出曲线.吸附段高度6 cm 线速度0.326 8 m.h-I Fig.4 Adsorption c—V CHI Ve of SMO—a,H =6 cm, /1=0.3268 m・h一 床内停留了12 h 由于扩散作用致使这部分吸附液 的浓度降低.关于这部分的定量计算目前正在探讨 中。 图5为上述固定床脱附流出曲线。从该图可以 得出.当通入盐酸的体积为150 mL时,流出液中不 含L 若要求洗脱率为95%.则需洗脱出的锂离子 的量为:2.36 mmol,则需通人的盐酸的体积为75 mL 故锂离子的富集倍数为2.36/75/0.01=3.15。洗脱 液中¨+最大浓度为91.95 mmo卜L一.是原始吸附液 的9.20倍 若盐酸浓度增大,流速降低,锂离子的富 集倍数可望进一步增大。有利于从含锂极稀的盐湖 中实现锂的富集。 ∞加∞如 如加 O 0 100 200 300 400 500 600 700 800 9001 000 c1/mL 图5 固定床的动态酸脱附曲线.线速度:0.3268 m・h Fig.5 Desorption c—V CHIVe of the fixed bed, /1.=0.3268 m-h一 3 结 论 PVC溶解在NMP中作粘结剂,对LiMn O 直接 粘合成颗粒状.经盐酸脱锂后得到粒状锂离子筛。粒 状锂离子筛的外表面存在大量的空隙.内部结构疏 松 粒状离子筛及粉状离子筛静态吸附实验数据符 合Lagergren方程 成型后离子筛的饱和吸附量及吸 附速率与粉状离子筛差异很小 实现了成型后的离 子筛保持了粉体离子筛的性质.这对于离子筛的实 际应用起到关键性的作用 PVC粘合成型对离子筛 的锂吸附性能影响不大 柱式操作条件下SMO—a的 吸附容量为:1.11 mmo1.g~;经盐酸洗涤脱附后,Li+ 最大富集倍数约为9 参考文献: [1】Armstrong A R,Bruce P G.Nature,1996,381(6582):499— 500 [2】Yang X J,Tang W P,Ooi K.』Mater.Chem.,2002,12:489— 495 ∞ 第3期 肖国萍等:LiMn20 离子筛成型及锂吸附性能 439 【3]Feng Q,Miyai Y,Kanoh H,et a1.Langmuir,1992,7(8): l861—1867 【4]Ooi K,Miyai Y,Sakakihara J.Langmuir,1991,7(6):l 167— 1171 [5]Yang X J,Kanoh H,Ooi K. 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