锂锰离子筛的制备及吸附性能研究

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尖晶石型锂离子筛是目前最具前途的绿色卤水提锂吸附剂。本文采用水热法分别制备了λ-MnO2和MnO2·0.5H2O这两种离子筛,探讨了水热反应条件对产物纯度的影响并对其进行表征,研究了两种离子筛的吸脱附性能。  以KMnO4、LiCl·H2O和CH3CH2OH为原料一步水热制备-λ-MnO2离子筛,采用单因素分析法考察了各原料用量、水热温度和水热时间对产物纯度的影响,其中反应液中的Li+浓度对合成产物的影响最大,得出3g的KMnO4,7.5%的乙醇浓度、11mol/L的LiCl溶液、水热温度160℃和水热时间12h为最佳合成条件。优化后合成的离子筛前驱体LiMn2O4和λ-MnO2离子筛均为立方尖晶石结构的单晶,具有六边形片层状形貌的大纳米级颗粒,经吸附/脱附后的骨架和形貌均变化不大且结构保持稳定。  λ-MnO2离子筛的饱和吸附量为23.4mg/g,在偏碱性环境中吸附为佳。对锂离子的吸附平衡曲线符合伪二级动力学模型,锂吸附等温线符合Langmuir模型,λ-MnO2离子筛具有均匀的吸附活性位且发生单分子层化学吸附。求得的自由焓变△H为正值,自由能变△G为负值,说明λ-MnO2离子筛吸锂是一个自发的吸热过程,对Li+的选择性大于H+。λ-MnO2离子筛对盐湖卤水中的Li+有极高的吸附选择性,最大吸附量达到6.256mg/g,尤其是镁锂分离效果显著,分离因子αLiMg达到1270.67。脱附时间为0.5h时,离子筛的脱附效果最佳,此时Li+的脱附量达到最大吸附量的97%,Mn2+的溶损仅为4%。盐酸浓度对洗脱效果有一定影响,浓度为0.04mol/L最佳。  对合成γ-MnOOH的影响因数做3因数3水平的正交实验,经直观分析得出各影响因数主次顺序为B(水热温度)>C(水热时间)>A(DMF浓度),最佳优化方案为A1B1C3,即DMF浓度为5%,水热温度为120℃,水热时间为24h。优化后γ-MnOOH呈一维微米棒状形貌,后续实验对微米级的棒状形貌破坏严重且MnO2·0.5H2O离子筛呈现非常明显的团聚现象。MnO2·0.5H2O离子筛对纯锂溶液的最大吸附量为27.38mg/g,12h后达到吸附平衡。吸附后的离子筛在0.5mol/L的稀盐酸中脱附迅速,仅需30min离子便洗脱结束,此时Mn2+的溶损为5.3%。
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