一种制备锂离子筛吸附剂的方法与流程

本发明涉及锂吸附剂制备领域，尤其涉及一种制备锂离子筛吸附剂的方法。

背景技术

锂是一种密度最小的金属，具有银白色光泽，它的电化学活泼性极强。锂及其化合物在国民经济和国防建设中具有重要的战略地位，因其优异的性能而被广泛应用于电子、冶金、医药、化工、能源等领域，尤其在玻璃制造业、炼铝业、陶瓷业及合成塑料、橡胶、药品业，占到其消费总量的75％左右。20世纪三四十年代研制开发了锂电池，作为“绿色能源”，锂离子电池具有质量轻、性能高、比能量高、环境污染少、循环寿命长、无记忆效应等特点，在军事、航空航天、交通工具、便携式电子设备、微型机电系统及其它微型器件等诸多领域都有重要应用。目前，发展锂电池已成为解决汽车的用油危机和排气污染的重要途径之一。因此，锂的应用潜力也得到快速的发展，被称为“21世纪新能源”。

伴随着电池行业产销量的不断增长，废旧电池的回收利用及处理受到人们的广泛关注。对废旧电池中的金属元素进行回收，不但可以减少废旧电池对环境的污染，也可以变废为宝，达到资源循环利用的目的。锂离子电池的平均寿命在500～1000次循环，使用时间为3-5年，锂离子电池报废量不断增加，因此，如何从废旧锂离子电池中回收锂等金属元素，变得至关重要。

目前，对废旧锂离子电池的回收处理主要有火法技术和湿法技术两种，相较于火法技术，湿法技术因其对环境污染小的优点，已被国内外研究者广泛采用。湿法技术又分为化学沉淀法、萃取法、aea工艺等，但均不同程度的存在二次污染及安全性问题，因此从经济环保角度出发，吸附剂法比其他湿法技术具有更大的优势。吸附剂法的关键是寻求循环利用率高、吸附选择性好、成本相对较低和对环境无污染的吸附剂，相较于有机吸附剂，无机系离子吸附剂具有成本低、稳定性和吸附特性好等优点，特别是一些特效无机系离子交换吸附剂，其具有的离子筛效应使其成为从稀溶液中提取有用元素的最有效吸附剂，如锂离子筛型氧化物吸附剂。

该类吸附剂一般指预先将目标离子引入到无机化合物中，然后在保持原有晶体结构不变的情况下，经过高温热处理或化学方法将目标离子“抽出”即可得到具有孔状结构的离子筛氧化物；由于所得的离子筛氧化物具有筛选和接受原目标离子的最佳结构，故在不同种类及价态的多种离子存在的情况下，其对原目标离子具有特殊的选择性。锂锰氧化物作为锂离子筛的前驱体，其结构和性质对锂离子筛具有重要影响，故其合成工艺的选择至关重要。目前，锂锰氧化物的合成主要包括固相烧结法和液相反应法。固相烧结法分为高温烧结法、微波烧结法和固相配位法；液相反应法根据产生中间体的化学反应不同，可以分为溶胶凝胶法、沉淀法和水热法。但大部分方法都存在流程长、耗能高、产物可控性差和吸附性能不佳等问题。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种制备锂离子筛吸附剂的方法，该方法耗时耗能均低于现有方法，且制备得到的产品结构稳定，吸附容量高。

本发明提供的一种制备锂离子筛吸附剂的方法，包括：以锂盐和锰盐的水溶液为原料，利用微波和超声波共同作用得到共沉淀产物，再对所述共沉淀产物进行焙烧得到锂离子筛前驱体，最后酸浸所述锂离子筛前驱体即得。

上述技术方案中，利用了微波和超声波的共同作用，得到锂盐和锰盐混合溶液的共沉淀产物，该产物经过焙烧得到结构理想的尖晶石型锂离子筛前驱体li2o·nmno2(n＝2.15-2.50)，所述锂离子筛前驱体经过酸浸即得到结构稳定、吸附容量大的锂离子筛吸附剂h2o·nmno2(n＝2.15-2.50)。利用微波和超声波共同作用，相较现有的水热法等方法，耗时耗能明显减少，且产物可控性高，性能更优。

优选地，所述微波条件为频率2450mhz，功率500～1000w；所述超声波条件为频率25khz，功率500～1000w。

当微波条件和超声波条件分别设置在上述范围内，更有利于反应的进行，得到的产品性能更好。

优选地，所述利用微波和超声波共同作用时，先在密闭环境中反应0.5～1h，再在敞开系统下反应1～2h得到所述共沉淀产物。

上述技术方案中，对反应系统进行先密闭再敞开的操作，有利于原料充分混合、反应，生成中间产物后再沉淀，便于后续得到性能良好的产物。

优选地，所述锂盐和所述锰盐中li与mn的摩尔比为1:(1～1.25)。

上述技术方案中，控制li与mn的摩尔比有利于控制共沉淀产物的配比，从而得到目标产物。

优选地，所述锂盐为柠檬酸锂，所述锰盐为乙酸锰。

上述技术方案中，柠檬酸与乙酸均属弱酸，其酸根离子在水中会水解，后续加热时柠檬酸与乙酸优先挥发，有利于溶液中金属离子更加均匀、稳定的沉淀。

优选地，对所述共沉淀产物进行焙烧的条件为：空气气氛下250～350℃恒温焙烧6～7h。

上述技术方案中，焙烧温度过低时，反应不充分；温度过高时，比较耗能，且一定程度上对离子筛结构有不利影响。时间同理，因此实验中选用250～350℃恒温焙烧6～7h效果较佳。

优选地，所述酸浸采用无机酸，浓度为0.2～2mol/l。

无机酸简单易得，性质稳定，方便使用。酸浓度过低时，酸浸不彻底，影响最终产物应用性能；酸浓度过高时，一定程度上会破坏离子筛结构，加大锰溶损率，因此实验中选用浓度为0.2～2mol/l的无机酸较佳。

作为本发明一种优选的具体实施方式，一种制备锂离子筛吸附剂的方法，包括：以柠檬酸锂和乙酸锰的混合水溶液为原料，利用微波(频率2450mhz，功率500～1000w)和超声波(频率25khz，功率500～1000w)共同作用得到共沉淀产物，再将所述共沉淀产物在空气气氛下250～350℃恒温焙烧6～7h得到锂离子筛前驱体，最后酸浸所述锂离子筛前驱体即得。

本发明还提供一种上述方法制备得到的锂离子筛吸附剂在液态锂资源中吸附锂中的应用。

本发明的方法以锂盐和锰盐的混合水溶液为原料，在微波和超声波共同作用下产生沉淀，再经过焙烧得到结构理想的锂离子筛前驱体，其纯度高且含锂量高，该锂离子筛前驱体经过处理最终获得的锂离子筛吸附剂结构稳定、吸附容量高，而且本发明的方法耗时耗能低、可控性高，对锂金属的资源回收利用具有重要意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例1中制备锂离子筛吸附剂的流程图；

图2为本发明实施例1中所得锂离子筛前驱体的xrd图；

图3为本发明实施例1中所得锂离子筛吸附剂吸附前后的xrd对比图；

图4为本发明实施例1中所得锂离子筛吸附剂的sem图；

图5为本发明实施例1中所得锂离子筛吸附剂吸附后的sem图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例提供一种制备锂离子筛吸附剂的方法(其流程图如图1所示)，包括以下步骤：

(1)称取2.82g柠檬酸锂，7.90g乙酸锰(锂锰摩尔比1:1.075)，以纯水为溶剂，充分混合均匀；

(2)将混合液置于电脑微波超声波紫外光组合催化合成仪中，在微波和超声波的共同作用下进行加热，先在密闭环境中加热0.5h，之后调整为敞开系统加热1h，得到共沉淀产物，其中微波参数为：频率2450mhz，功率800w，超声波参数为：频率25khz，功率800w；

(3)将所得共沉淀产物置于真空干燥箱中干燥，设置参数：150℃，6h，之后置于马弗炉中进行恒温焙烧，设置焙烧参数：300℃，6h，焙烧后自然冷却即得锂离子筛前驱体li2o·2.15mno2，其xrd图如图2所示，由图2可知，所制备产物中无其它杂相峰，说明产物纯度高，且结晶峰尖锐分明，无明显馒头峰，说明所制备产物结晶度好；

(4)将锂离子筛前驱体li2o·2.15mno2置于0.5mol/l的盐酸溶液中酸浸24h后，过滤、洗涤、干燥，即得锂离子筛吸附剂h2o·2.15mno2。

产品应用及吸附容量测定：

称取0.1g制得的锂离子筛吸附剂h2o·2.15mno2，置于50ml含li⁺0.1mol/l的(hcl+licl+lioh)锂溶液中，室温下静态吸附24h后，测得其吸附容量可达34.50mg/g。

锂离子筛吸附剂h2o·2.15mno2吸附前后的xrd对比图如图3所示，由图可知，吸附前后结晶峰峰形结构基本相同，说明离子筛结构稳定，吸附前后得到完整保持；但相对于吸附前，吸附后结晶峰有向低角度的轻微偏移，这主要是因为吸附过程中，离子筛中的h⁺被溶液中的li⁺置换出来，导致晶格收缩，晶面间距减小。吸附前后sem图分别如图4和图5所示，由图可知，吸附前后产物均呈现不规则的聚集状态，没有形成明显颗粒，说明吸附过程中离子筛形貌基本不变，具有良好的稳定性。

称取0.1g制得的锂离子筛吸附剂h2o·2.15mno2，置于50ml含氯化铵-氨水缓冲体系的模拟电池浸出液(ph＝8-10)中进行锂吸附，室温下静态吸附24h后，测得其吸附容量可达14.50mg/g。因为吸附过程系离子筛脱氢嵌锂过程，环境溶液的ph越高，越有利于该过程的进行，相较于上述理想锂溶液中的应用，模拟电池浸出液的ph偏低，因此对吸附容量产生影响。但对于实际应用来说，14.50mg/g的吸附容量比较可观。而且锂离子筛对锂的选择性不受其他金属离子影响，表现出良好的稳定性。模拟电池浸出液中主要含li、al、fe、cu、ni、co等金属元素，其浓度分别为0.100mol/l、0.0040.1mol/l、0.0010.1mol/l、0.00190.1mol/l、0.0840.1mol/l、0.0160.1mol/l。

实施例2

本实施例提供一种制备锂离子筛吸附剂的方法，包括以下步骤：

(1)称取2.82g柠檬酸锂，8.27g乙酸锰(锂锰摩尔比1:1.125)，以纯水为溶剂，充分混合均匀；

(2)将混合液置于电脑微波超声波紫外光组合催化合成仪中，在微波和超声波的共同作用下进行加热，先在密闭环境中加热0.5h，之后调整为敞开系统加热1h，得到共沉淀产物，其中微波参数为：频率2450mhz，功率700w，超声波参数为：频率25khz，功率700w；

(3)将所得共沉淀产物置于真空干燥箱中干燥，设置参数：150℃，5h，之后置于马弗炉中进行恒温焙烧，设置焙烧参数：280℃，6h，焙烧后自然冷却即得锂离子筛前驱体li2o·2.25mno2；

(4)将锂离子筛前驱体li2o·2.25mno2置于0.8mol/l的硝酸溶液中酸浸24h后，过滤、洗涤、干燥，即得锂离子筛吸附剂h2o·2.25mno2。

采用同实施例1中的锂溶液测定产品吸附容量，结果为29.80mg/g。

实施例3

本实施例提供一种制备锂离子筛吸附剂的方法，包括以下步骤：

(1)称取2.82g柠檬酸锂，9.19g乙酸锰(锂锰摩尔比1:1.25)，以纯水为溶剂，充分混合均匀；

(2)将混合液置于电脑微波超声波紫外光组合催化合成仪中，在微波和超声波的共同作用下进行加热，先在密闭环境中加热0.5h，之后调整为敞开系统加热1h，得到共沉淀产物，其中微波参数为：频率2450mhz，功率600w，超声波参数为：频率25khz，功率600w；

(3)将所得共沉淀产物置于真空干燥箱中干燥，设置参数：150℃，5h，之后置于马弗炉中进行恒温焙烧，设置焙烧参数：320℃，6h，焙烧后自然冷却即得锂离子筛前驱体li2o·2.50mno2；

(4)将锂离子筛前驱体li2o·2.50mno2置于1.0mol/l的盐酸溶液中酸浸24h后，过滤、洗涤、干燥，即得锂离子筛吸附剂h2o·2.50mno2。

采用同实施例1中的锂溶液测定产品吸附容量，结果为26.20mg/g。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。