CN113926419A - 一种Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,采用废弃型聚合铝盐为主要原料,该吸附剂化学式表示为LiCl·mAl(OH)3·nH2O,其中m为2~10,n为0.5~10。该Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法包括如下步骤:将聚合型铝盐和可溶性锂盐加入水中,加热条件下混合均匀得到锂铝混合溶液;在搅拌条件下,将锂铝混合溶液和碱溶液加入反应釜内,利用水溶性聚合物对共沉淀过程进行强化,控制反应温度为20~150℃,终点pH为3~12;继续陈化0.5~48小时,再转移至水热釜中反应4~48小时,将前驱体沉淀从液体中分离,经过溶剂洗涤、干燥研磨、溶剂洗脱和干燥步骤得到目标产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
Description
技术领域
本发明属于吸附剂制备技术领域,具体涉及一种Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法。
背景技术
锂及其化合物因具有独特的物理化学特性在传统工业及高新技术领域应用广泛,近年来全球锂耗量和需求量日益增加。
我国锂资源主要以液态形式存在,其中盐湖卤水中蕴含的锂资源总量占我国已探明储量的80%以上,且开采成本相较矿石提锂更低,随着卤水提锂技术不断发展,全国已有多个盐湖实现了工业化生产,锂产量逐年攀升。尽管如此,我国盐湖卤水中锂品位普遍偏低,同时含有大量与锂性质相近的伴生碱金属、碱土金属离子,尤其是镁离子的存在对锂分离产生极大阻碍,严重制约着我国盐湖资源的开发利用。
现有技术中,针对高镁锂比盐湖卤水开发的提锂技术主要包括萃取法、膜法和吸附法。吸附法是利用对锂离子具有选择性吸附作用的材料将锂从溶液中分离,工艺操作简单,并且常用吸附剂属于无机物,吸附过程不产生二次污染,应用广泛。现有研究表明,常见锂吸附剂中锰系、钛系离子筛虽然具备高锂吸附容量和选择性,但需要利用酸进行解吸,会损害吸附剂本身结构,难以多次循环使用。
Keggin链式结构铝系锂吸附剂,即锂铝层状氢氧化物,一般表示为LiCl·mAl(OH)3·nH2O,被证实不仅非常适用于高镁锂比卤水吸附锂,选择性顺序通常遵循Li+>Na+>K+>Ca2+>>Mg2+,且在中性条件下即可解吸,具有无溶损、循环稳定性好等优点。Keggin链式结构铝系锂吸附剂是盐湖卤水提锂领域的研究热点,同时目前已有工业化应用的实例。然而,其吸附容量最高仅为7mg/g左右,仍远低于锰系和钛系离子筛,进一步提高Keggin链式结构铝系锂吸附剂的吸附性能将对盐湖卤水提锂工艺的发展产生推动作用。
除盐湖卤水外,油气田采出水的锂资源储量也相当可观,但长期以来关注度较低。我国部分油气田采出水中钠钾含量较高,若Keggin链式结构铝系锂吸附剂能够应用于高钠钾体系提锂,或将创造更高的工业价值。
现有技术中,目前报道的Keggin链式结构铝系锂吸附剂多以水合型铝盐和可溶性锂盐为主要原料合成,应用过程中存在着锂吸附量偏低的瓶颈问题,且目前的报道中铝系吸附剂的应用于集中于高镁锂比盐湖卤水,在高钠钾体系中的应用研究鲜少涉及。
发明内容
本发明依托前人研究进行,提供了一种以废弃的聚合型铝盐代替水合型铝盐为原料的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法及应用,实现了对锂吸附容量的显著性提升以及废弃物的资源化利用。
本发明采用一步化学共沉淀法使聚合型铝盐与可溶性锂盐在碱性条件下反应,生成的沉淀经过分离干燥、水热处理、洗脱干燥等步骤后获得最终产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂。本发明使用的聚合氯化铝、聚合硫酸铝、聚合氯化铝铁等的生产原材料大多为其他工业过程的废料或副产品,廉价易得,符合资源循环利用的工艺目标。本发明的吸附剂在应用于高镁、高钠、高钾含量的低锂浓度溶液提取锂离子时,相比于传统的以水合型铝盐为原料合成的吸附剂,均表现出更高的锂吸附容量。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案如下:
本发明所提供的Keggin链式结构铝系锂吸附剂采用废弃型聚合铝盐为主要原料,该吸附剂化学式表示为LiCl·mAl(OH)3·nH2O,其中m为2~10,n为0.5~10。
该Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法如下:
将聚合型铝盐和可溶性锂盐加入水中,加热条件下混合均匀得到锂铝混合溶液;在搅拌条件下,将锂铝混合溶液和碱溶液加入反应釜内,并加入少量水溶性聚合物助剂,控制反应温度为20~150℃,终点pH为3~12;继续陈化0.5~48小时,再转移至水热釜中反应4~48小时,将前驱体沉淀从液体中分离,经过溶剂洗涤、干燥研磨、溶剂洗脱和干燥步骤得到目标产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
具体制备步骤包括如下步骤:
A、锂铝混合溶液制备
称取聚合型铝盐和可溶性锂盐,加入水中,于10~80℃的温度下利用超声处理、磁力搅拌或机械搅拌5~240min,混合均匀得到锂铝混合溶液。其中Li/Al摩尔比为0.1~5,混合液中锂离子浓度范围为0.01~15mol/L,铝离子浓度为0.1~10mol/L。
B、锂铝混合溶液与碱液混合反应
在机械搅拌或磁力搅拌条件下向反应釜中加入锂铝混合溶液和浓度为0.5~20mol/L碱溶液。水溶性聚合物助剂预先用水溶解,质量分数为0.05~5%。反应过程的温度控制在20~150℃,搅拌转速为50~800rpm。合成过程中利用pH计实时监测反应体系的pH值,控制终点pH在3~12的范围内。
溶液的加入方式可选择将锂铝混合溶液和碱液同时以0.5~100mL/min的流速一并滴加至反应釜中;或者先将锂铝混合溶液一次性加入反应釜中,再以0.5~100mL/min的流速向其中滴加碱溶液;或者先将碱溶液加入反应釜中,再以0.5~100mL/min的流速滴加锂铝混合溶液。加入的锂铝混合溶液与碱液的体积比为0.2:1~50:1。
C、陈化
当反应达到终点后,停止加料,在20~150℃的温度下继续陈化0.5~48小时,之后转入水热釜中在100~300℃的条件下放置4~48小时,所得沉淀物为Keggin链式结构铝系锂吸附剂的前驱体。
D、前驱体分离
待前驱体溶液冷却至室温后,进行固液分离,用20~50℃的溶剂冲洗除去未反应原料及反应副产物,40~150℃的温度下真空干燥1~48小时,充分干燥后研磨成粉末,再加入溶剂中在20~150℃下洗脱0.5~8小时,前驱体与溶剂的比例控制在1g:(5~500)mL,分离后在40~150℃下真空干燥1~48小时,研磨后得到目标产物粉末状Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
优选的,聚合型铝盐为聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁中的至少一种;
可溶性锂盐为硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、氢氧化锂、高氯酸锂中的至少一种;
碱溶液的溶剂为水,溶质为可水溶性碱,所述碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、偏铝酸钠、氨水中的至少一种。
水溶性聚合物助剂为聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种。
优选的,进行前驱体分离时,固液分离方式为倾析、真空抽滤、离心分离、重力沉降中的至少一种;
冲洗前驱体采用的溶剂为乙醇、去离子水、超纯水、丙酮、甲醇、氯仿中的至少一种;
洗脱前驱体所用溶剂为去离子水、超纯水、含锂溶液中的至少一种。前驱体与洗脱溶剂加入比例为1g:(5~500)mL。
本发明第二方面,还提供了该种Keggin链式结构铝系锂吸附剂应用于含锂溶液中提取锂离子的实施方法。所述应用中,含锂溶液为盐湖卤水、盐田浓缩含锂老卤、地热卤水、海水、油气田采出水或自配溶液中的至少一种,其中锂浓度为0.01~20g/L。
本发明的有益效果如下:
本发明制备的Keggin链式结构铝系锂吸附剂,将传统制备方法中的主要原料水合铝盐替换成聚合型铝盐,得到的产物由尺寸更小的不规则纳米片团簇而成,仍符合LiCl·mAl(OH)3·nH2O的晶形结构,性质稳定。
本发明所采用的制备方法简单易操作、反应周期短、所需反应条件温和易控且环保无污染,主要原料聚合型铝盐、锂盐、碱等易于获取且成本低廉,同时根据实际应用情况可灵活更改反应条件及吸附剂配比,该Keggin链式结构铝系锂吸附剂能够实现大规模生产。
吸附效果方面,与水合型Keggin链式结构铝系锂吸附剂对比,本发明的Keggin链式结构铝系锂吸附剂对锂离子的吸附容量显著提高,在高镁、高钠和高钾浓度的含锂溶液中都表现出更高的锂吸附容量,解吸液中的Mg2+、Na+、K+浓度相较于原始吸附液大幅下降,不仅非常适用于高镁锂比、低锂品位的盐湖卤水提锂,而且能够从高钠钾含量的含锂溶液中提锂。
附图说明
图1为实施例1中通过改变原料中聚合型铝盐与水溶性锂盐比例合成的各组Keggin链式结构铝系锂吸附剂对察尔汗老卤的锂吸附量及吸附剂的锂铝摩尔比。
图2为实施例1中分别以水合型铝盐为原料和以聚合型铝盐为原料的优化合成条件后的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的SEM对比图:A为以水合型铝盐为原料制备的Keggin链式结构铝系锂吸附剂,B为本发明制备的Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
图3为实施例1中优化后的以聚合型铝盐为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的XRD图谱。
图4为实施例2中测定的分别以水合型铝盐和聚合型铝盐为原料合成的铝系吸附剂在察尔汗老卤中的锂吸附动力学对比图。
具体实施方式
下面结合本发明的附图和实施例对本发明的实施作详细说明,以下实施例是在以本发明技术方案为前提下进行实施,给出了详细的实施方式和具体操作过程,但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
为了更好地理解本发明而不是限制本发明的范围,在本申请中所用的表示用量、百分比的所有数字、以及其他数值,在所有情况下都应理解为以词语“大约”所修饰。因此,除非特别说明,否则在说明书和所附权利要求书中所列出的数字参数都是近似值,其可能会根据试图获得的理想性质的不同而加以改变。各个数字参数至少应被看作是根据所报告的有效数字和通过常规的四舍五入方法而获得的。
实施例1 Keggin链式结构铝系锂吸附剂制备
称取20g聚合氯化铝粉末和一定量的氯化锂,加入400mL去离子水,在50℃下超声1小时混合均匀得到锂铝混合液。向反应釜中加入15mL4mol/L的NaOH水溶液和2mL 0.5%的聚乙二醇水溶液,在200rpm的搅拌条件下以10mL/min的流速将锂铝混合溶液滴加至反应釜中。利用恒温水浴槽控制反应温度为60℃,实时监测反应体系的pH值,当pH降至8时停止进料。保持当前温度继续静置陈化4小时,之后将前驱体溶液整体转移至聚四氟乙烯水热釜中,在200℃下水热反应24小时。过滤得到沉淀物,用100mL 30℃的乙醇快速洗涤除去残留盐分,在80℃下真空干燥24小时。将干燥后的固体研磨,在50℃下加到去离子水中洗脱活化4小时,80℃下真空干燥24小时得到产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
改变原料中氯化锂的加入量,对锂铝混合溶液中的锂铝比进行优化。将制备的各组吸附剂以1g/30mL的比例投加至察尔汗老卤中,在温度25℃、振荡频率170rpm的条件下进行吸附12小时,ICP测定吸附前后吸附液中锂浓度计算吸附容量。
称取0.1g吸附剂,用10mL发烟硝酸溶解后稀释,通过ICP测定吸附剂的锂铝摩尔比。相应的锂吸附量以及吸附剂的组成锂铝摩尔比见图1,综合考虑锂吸附量和原料成本,选定锂铝摩尔比为1.0的原料配比作为优化合成条件。
产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂的SEM图见图2,XRD图见图3。传统方法以水合型铝盐合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂呈现出较明显的六边形纳米片状结构(图2A),相比之下,本发明公开的基于聚合型铝盐合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂则由尺寸更小的不规则纳米片团簇而成(图2B)。
该吸附剂的化学式可表示为LiCl·4.8Al(OH)3·6.5H2O,XRD图谱表明产物晶型良好,与LiCl·2Al(OH)3·nH2O标准结构高度吻合,不含其他杂相。体积平均粒径为161μm,BET比表面积可达200m2/g。
本实施例及实施例2中以下所用察尔汗老卤为青海省察尔汗盐湖的脱钠钾老卤,老卤中主要阳离子及其浓度如下表1所示;对比所用的传统方法以水合型铝盐合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂为实验室自制吸附剂,该吸附剂的制备方法参见已授权专利CN108993376B。
表1察尔汗老卤的组分含量
阳离子 | Li<sup>+</sup> | Mg<sup>2+</sup> | Na<sup>+</sup> | K<sup>+</sup> | Ca<sup>2+</sup> |
浓度(mg/L) | 365 | 120242 | 1555 | 549 | 50 |
实施例2吸附效果对比
称取7g实施例1中优化后的以聚合型铝盐为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂于500mL锥形瓶中,加入210mL高镁锂比的察尔汗老卤,在温度25℃、振荡频率170rpm的条件下进行静态吸附。设置一定的时间间隔取样,迅速过滤得到清液,稀释后用ICP测定其中锂浓度。吸附结束后,将吸附剂过滤,以1g/10mL的比例用去离子水快速冲洗滤饼,滤饼烘干后再以1g吸附剂比40mL去离子水的比例进行解吸,测定解吸液中Li+和Mg2+浓度并计算Mg/Li质量比。
根据吸附前后浓度差值计算出各时间点的锂吸附量,绘制出吸附动力学曲线如图4所示。以聚合氯化铝为原料制备的Keggin链式结构铝系锂吸附剂在吸附4小时后基本达到平衡,吸附容量为9.7mg/g,对比以水合氯化铝为原料的自制吸附剂在同种吸附体系中7.7mg/g的吸附容量,改变原料后的吸附容量比原先提高了26%左右。
实施例3
称取一定量的LiCl·H2O和NaCl用去离子水溶解,配制双组分溶液作为吸附液:吸附液Ⅰ:0.2mol/L Li+,0.2mol/LNa+;吸附液Ⅱ:0.4mol/L Li+,0.4mol/LNa+;吸附液Ⅲ:100mg/LLi+,100g/LNa+;吸附液Ⅳ:300mg/L Li+,100g/LNa+。
静态吸附均在空气摇床中进行,条件设置为温度25℃、振荡频率170rpm、吸附时间4小时。通过ICP测量吸附前后溶液中的Li+浓度计算吸附容量。对于吸附液Ⅰ和吸附液Ⅱ,分别称取6g以水合氯化铝为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂和实施例1中优化后的以聚合氯化铝为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂于50mL离心管中,加入30mL吸附液;对于吸附液Ⅲ和吸附液Ⅳ,则分别称取2g吸附剂于50mL离心管中,加入40mL吸附液进行吸附,吸附结束后,利用真空抽滤将吸附剂分离,用去离子水快速冲洗滤饼,滤饼烘干后再以1g吸附剂比40mL去离子水的比例进行解吸,测定解吸液中Li+和Na+浓度并计算Na/Li质量比。
实施例4
称取一定量的LiCl·H2O和KCl用去离子水溶解,配制双组分溶液作为吸附液:吸附液Ⅴ:0.2mol/L Li+,0.2mol/LK+;吸附液Ⅵ:0.4mol/L Li+,0.4mol/LK+;吸附液Ⅶ:100mg/LLi+,100g/LK+;吸附液Ⅷ:300mg/L Li+,100g/LK+。
静态吸附均在空气摇床中进行,条件设置为温度25℃、振荡频率170rpm、吸附时间4小时。通过ICP测量吸附前后溶液中的Li+浓度计算吸附容量。对于吸附液Ⅴ和吸附液Ⅵ,分别称取6g以水合氯化铝为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂和实施例1中优化后的以聚合氯化铝为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂于50mL离心管中,加入30mL吸附液。对于吸附液Ⅶ和吸附液Ⅷ,则分别称取2g吸附剂于50mL离心管中,加入40mL吸附液进行吸附,吸附结束后,利用真空抽滤将吸附剂分离,用去离子水快速冲洗滤饼,滤饼烘干后再以1g吸附剂比40mL去离子水的比例进行解吸,测定解吸液中Li+和K+浓度并计算K/Li质量比。
各实施例中锂吸附容量如下表2所示,解吸液中元素浓度分析如下表3~5所示:
表2实施例2~4吸附剂的吸附容量汇总
表3实施例2解吸液中元素浓度分析
表4实施例3解吸液中元素浓度分析
表5实施例4解吸液中元素浓度分析
上述分析结果表明,根据本发明提供的方法以聚合型铝盐为原料合成的Keggin链式结构铝系锂吸附剂在高镁、高钠和高钾浓度的含锂溶液中都表现出更高的锂吸附容量,解吸液中的Mg2+、Na+、K+浓度相较于原始吸附液大幅下降,其中Mg/Li、Na/Li、K/Li质量比均小于2,适用于高镁锂比、低锂品位的盐湖卤水提锂,而且能够从高钠钾含量的含锂溶液中提锂。
以上已对本发明创造的较佳实施例进行了具体说明,但本发明创造并不限于所述实施例,熟悉本领域的技术人员在不违背本发明创造精神的前提下还可作出种种的等同的变型或替换,这些等同的变型或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。
Claims (9)
1.一种Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于,采用废弃型聚合铝盐为主要原料,该吸附剂化学式表示为LiCl·mAl(OH)3·nH2O,其中m为2~10,n为0.5~10,该Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法包括如下步骤:
将聚合型铝盐和可溶性锂盐加入水中,加热条件下混合均匀得到锂铝混合溶液;在搅拌条件下,将锂铝混合溶液和碱溶液加入反应釜内,并加入水溶性聚合物助剂溶液,控制反应温度为20~150℃,终点pH为3~12;继续陈化0.5~48小时,再转移至水热釜中反应4~48小时,将前驱体沉淀从液体中分离,经过溶剂洗涤、干燥研磨、溶剂洗脱和干燥步骤得到目标产物Keggin链式结构铝系锂吸附剂。
2.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,所述聚合型铝盐为聚合硫酸铝、聚合氯化铝、聚合氯化铝铁中的至少一种;
所述可溶性锂盐为硝酸锂、硫酸锂、氯化锂、氢氧化锂、高氯酸锂中的至少一种。
3.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,制备锂铝混合溶液时,于10~80℃的温度下搅拌5~240min,混合均匀得到锂铝混合溶液;其中Li和Al摩尔比为0.1~5,混合液中锂离子浓度范围为0.01~15mol/L,铝离子浓度为0.1~10mol/L。
4.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,锂铝混合溶液和碱溶液进行混合时,采用如下之一方式进行:
A)将锂铝混合溶液和碱溶液并流加入反应釜中;
B)向锂铝混合溶液中滴加碱溶液;
C)向碱溶液中滴加锂铝混合溶液的方式混合,
所述碱溶液的浓度为0.5~20mol/L,加入的锂铝混合溶液与碱溶液的体积比为0.2:1~50:1。
5.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,所述碱溶液为水溶性碱,所述碱为氢氧化锂、氢氧化钠、氢氧化钾、偏铝酸钠、氨水中的至少一种;
所述水溶性聚合物助剂溶液为聚丙烯酰胺、聚乙二醇、聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮中的至少一种水溶液,质量分数为0.05%~5%。
6.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,陈化温度为20~150℃,水热釜中的反应温度为100~300℃。
7.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,将前驱体从液体中分离的方式包括倾析、真空抽滤、离心分离、重力沉降中的至少一种,
进行溶剂洗涤时,所采用的溶剂为乙醇、去离子水、超纯水、丙酮、甲醇、氯仿中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂的制备方法,其特征在于:
其中,进行溶剂洗脱时,所采用溶剂为去离子水、超纯水、含锂溶液中的至少一种,所述前驱体与洗脱溶剂加入比例为1g:(5~500)mL。
9.采用权利要求1~8任一项所述的Keggin链式结构铝系锂吸附剂从高镁、钠、钾含量的含锂溶液中提取锂的用途,包括盐湖卤水、盐田浓缩含锂老卤、地热卤水、海水、油气田采出水或自配溶液中的至少一种。
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