[go: up one dir, main page]

CN111647746A - 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂 - Google Patents

膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂 Download PDF

Info

Publication number
CN111647746A
CN111647746A CN202010541034.7A CN202010541034A CN111647746A CN 111647746 A CN111647746 A CN 111647746A CN 202010541034 A CN202010541034 A CN 202010541034A CN 111647746 A CN111647746 A CN 111647746A
Authority
CN
China
Prior art keywords
lithium
mno
adsorption
membrane
solution
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN202010541034.7A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111647746B (zh
Inventor
项顼
孙颖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Beijing University of Chemical Technology
Original Assignee
Beijing University of Chemical Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Beijing University of Chemical Technology filed Critical Beijing University of Chemical Technology
Priority to CN202010541034.7A priority Critical patent/CN111647746B/zh
Publication of CN111647746A publication Critical patent/CN111647746A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111647746B publication Critical patent/CN111647746B/zh
Priority to US17/347,035 priority patent/US20210388465A1/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G45/00—Compounds of manganese
    • C01G45/12—Complex oxides containing manganese and at least one other metal element
    • C01G45/1221—Manganates or manganites with trivalent manganese, tetravalent manganese or mixtures thereof
    • C01G45/1242—Manganates or manganites with trivalent manganese, tetravalent manganese or mixtures thereof of the type (Mn2O4)-, e.g. LiMn2O4 or Li(MxMn2-x)O4
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/428—Membrane capacitive deionization
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • B01D61/44—Ion-selective electrodialysis
    • B01D61/52—Accessories; Auxiliary operation
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82—NANOTECHNOLOGY
    • B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00—Manufacture or treatment of nanostructures
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/05—Preparation or purification of carbon not covered by groups C01B32/15, C01B32/20, C01B32/25, C01B32/30
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01D—COMPOUNDS OF ALKALI METALS, i.e. LITHIUM, SODIUM, POTASSIUM, RUBIDIUM, CAESIUM, OR FRANCIUM
    • C01D15/00—Lithium compounds
    • C01D15/08—Carbonates; Bicarbonates
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01G—COMPOUNDS CONTAINING METALS NOT COVERED BY SUBCLASSES C01D OR C01F
    • C01G45/00—Compounds of manganese
    • C01G45/02—Oxides
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B26/00—Obtaining alkali, alkaline earth metals or magnesium
    • C22B26/10—Obtaining alkali metals
    • C22B26/12—Obtaining lithium
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B3/00—Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
    • C22B3/02—Apparatus therefor
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B3/00—Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
    • C22B3/20—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching
    • C22B3/22—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching by physical processes, e.g. by filtration, by magnetic means, or by thermal decomposition
    • C22B3/24—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching by physical processes, e.g. by filtration, by magnetic means, or by thermal decomposition by adsorption on solid substances, e.g. by extraction with solid resins
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B3/00—Extraction of metal compounds from ores or concentrates by wet processes
    • C22B3/20—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching
    • C22B3/42—Treatment or purification of solutions, e.g. obtained by leaching by ion-exchange extraction
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C22—METALLURGY; FERROUS OR NON-FERROUS ALLOYS; TREATMENT OF ALLOYS OR NON-FERROUS METALS
    • C22B—PRODUCTION AND REFINING OF METALS; PRETREATMENT OF RAW MATERIALS
    • C22B7/00—Working up raw materials other than ores, e.g. scrap, to produce non-ferrous metals and compounds thereof; Methods of a general interest or applied to the winning of more than two metals
    • C22B7/006—Wet processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2313/00—Details relating to membrane modules or apparatus
    • B01D2313/34—Energy carriers
    • B01D2313/345—Electrodes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2002/00—Crystal-structural characteristics
    • C01P2002/70—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data
    • C01P2002/72—Crystal-structural characteristics defined by measured X-ray, neutron or electron diffraction data by d-values or two theta-values, e.g. as X-ray diagram
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/01—Particle morphology depicted by an image
    • C01P2004/04—Particle morphology depicted by an image obtained by TEM, STEM, STM or AFM
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/60—Particles characterised by their size
    • C01P2004/64—Nanometer sized, i.e. from 1-100 nanometer
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2004/00—Particle morphology
    • C01P2004/80—Particles consisting of a mixture of two or more inorganic phases
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01P—INDEXING SCHEME RELATING TO STRUCTURAL AND PHYSICAL ASPECTS OF SOLID INORGANIC COMPOUNDS
    • C01P2006/00—Physical properties of inorganic compounds
    • C01P2006/40—Electric properties

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Geology (AREA)
  • General Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Metallurgy (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Geochemistry & Mineralogy (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Water Supply & Treatment (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Urology & Nephrology (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Battery Electrode And Active Subsutance (AREA)
  • Secondary Cells (AREA)

Abstract

本发明提供了一种膜电极材料及其制备方法以及将该材料应用于吸附‑电耦合法提取锂，所述的膜电极材料表示为MnO@C，其制备步骤为：将碳酸锂和碳酸锰煅烧得到LiMn2O4，将其分散于盐酸溶液中，搅拌分离出固体产物，干燥得到λ‑MnO2。将λ‑MnO2加入到配制的Mn‑MOF‑74的原料液，水热反应得到Mn‑MOF‑74包覆的λ‑MnO2。将其在氮气气氛下煅烧，得到膜电容电极材料MnO@C。将该材料制成吸附膜电极板，并用其组装吸附‑电化学耦合提锂装置中。通过锂提取过程和锂回收过程在回收液池得到纯锂溶液。本发明制备电极材料碳包覆层厚度可调。吸附‑电化学耦合技术结合吸附和电化学嵌锂的双重作用，能高容量的提取锂资源并回收。实现了锂资源的高效分离，并为锂资源的提取开辟新的途径。

Description

膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂
技术领域
本发明涉及锂资源分离提取领域，具体涉及膜电极材料的制备方法，并将其用于吸附-电化学耦合法盐湖提取锂技术。
背景技术
锂是化学元素周期表中第一个金属元素，被广泛应用于各个领域。随着二次电池在电子设备中的应用，特别是锂离子电池被用来为新能源电动汽车提供动力，电池中锂的消耗量增加，使得电池占锂的用量占到其使用市场的一半以上。锂离子电池的需求量显著增加，市场对锂资源的需求量将急剧增长，预计同比增长20％。我国锂储量450万吨，盐湖卤水锂储量占到80％以上。盐湖提锂逐渐成为锂资源提取的一大趋势。
我国盐湖具有高镁锂比、高镁含量的难题，使得镁锂分离与锂提取面临巨大挑战，导致我国锂资源对外依存度达80％以上。一旦进口受阻，我国新能源产业、航天航空和核能等相关领域将陷入困境。与镁离子相比，我国盐湖卤水中锂的含量明显较低。当Mg/Li比低于6时，化学沉淀法可有效分离锂。然而，我国绝大多数盐湖卤水的Mg/Li比高于6。高镁锂比(Mg/Li)意味着不能采用简单的化学沉淀法，因为这将增加锂的损失，降低锂提取率。从高镁锂比盐湖回收锂最大的挑战就是将镁锂高效分离。由于镁和锂在元素周期表中对角线的位置，并且都是碱土金属，存在相似的化学性质。不仅如此，镁离子和锂离子的半径也很接近，分别为72pm和76pm。综上所述，高镁锂比盐湖卤水中锂提取难度很大。
吸附法将是以吸附剂的特定选择性原理去吸附卤水中的Li+，再以稀酸洗脱，得到富锂溶液。目前研究较多是铝盐吸附剂和离子筛型吸附剂。该方法工艺简单，回收率高，但存在吸附剂回收困难的问题，随着使用次数的增加离子通道易堵塞导致吸附能力降低、在酸处理过程吸附剂会发生溶解。
膜电容脱盐是一种新兴的离子分离技术，解决了离子筛型锰系吸附剂溶损的问题。膜电容脱盐具有较高的除盐效率、电极再生效率和能量利用效率，由于除盐时阴阳离子分别在不同区域，并且具有再生环节，避免了成垢离子积累，不易发生结垢。Lee等人采用LiMn2O4膜材料，吸附容量为350μmol/g，吸附容量较低(Lee D H.Selective lithiumrecovery from aqueous solution using a modified membrane capacitivedeionization system.Hydrometallurgy,
2017,173,283-288.)。Siekierka等人对LiMn2O4进行TiO2掺杂改性，吸附容量显著提高到36.5mg/g，虽然达到了吸附法提锂的水平，但在该工艺中额外消耗了电能(Siekierka A.Lithium dedicated adsorbent for the preparation of electrodesuseful in the ion pumping method.Separation and Purification Technology,2018,194,231-238.)。目前膜电容提锂通过工艺改性和晶格掺杂方式提高膜电极的容量，依然存在锂吸附容量较低的问题。
本发明从选择性吸附和电化学嵌锂两个方面设计膜电极材料，并提出吸附-电化学耦合技术。以碳包覆的氧化锰(MnO@C)为膜电极材料，吸附反应过程中由于施加电压，电子流向MnO@C电极表面，溶液中锂离子被吸引，并嵌入膜电极材料发生吸附和电化学耦合反应。一部分MnO在晶格空位处吸附锂离子；另一部分MnO发生电化学反应，被还原为金属Mn，伴随着Li2O形成。脱附反应过程中，施加反向电压，锂离子从MnO的晶格中脱附，金属Mn氧化为MnO，Li2O反应生成锂离子。该过程中MnO@C膜电极对锂离子的选择性吸附作用和电化学反应耦合，协同实现锂资源高效提取。
发明内容
本发明的目的是提供一种膜电极材料及其制备方法，该膜电极材料用于吸附-电化学耦合技术提取锂。
本发明提供的膜电极材料化学组成为：MnO@C，其中C包,覆在MnO表面，碳层厚度为1-5nm。
膜电极材料的具体制备步骤如下：
A.将碳酸锂和碳酸锰按Li/Mn摩尔比为0.1～10的比例混合均匀，在300～800℃下煅烧1～8h，升温速率1～10℃/min，得到LiMn2O4。按照固液比为1:10～100，将LiMn2O4分散于0.1～2mol/L的盐酸溶液中，搅拌12～48h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.将MnCl2·4H2O、2,5-二羟基对苯二甲酸(DHTA)按照摩尔比为1～5：1的比例溶解到混合溶剂中，充分混合得到原料液；
所述的混合溶剂是X、乙醇、水按照(2～20)：1：1体积比配制的。其中X为丙酮、四氢呋喃、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的混合液。
C、将步骤A的λ-MnO2加入到步骤B制备的原料液中，使固含量为5～50g/L，混合均匀后转移到反应器中，在80℃～180℃下反应1～48h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤滤饼三次；于40℃～80℃下，干燥3～12h，得到粉末状Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C得到的粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为480℃～800℃，升温速率为2～10℃/min；得到的产物为C包覆在MnO表面，表示为MnO@C，其中碳层厚度为1-5nm。将MnO@C应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备：
活性炭电极板制备：将0.5g活性炭粉与0.2g聚偏氟乙烯混合，再加入5mL N,N-二甲基乙酰胺调成糊状，涂于石墨板上，在50℃的真空烘箱中干燥过夜，并使用辊压机进行压制成200μm的薄片，得到活性炭电极板。
吸附膜电极板制备：将0.2g聚乙烯醇溶于4mL水，加入0.5g MnO@C并滴加1mL戊二醛混合调成糊状，涂在石墨板上，干燥，在表面喷洒HCl溶液，于60℃真空干燥并压制成200μm的薄片，得到MnO@C膜电极板。
(2)将电极板组装进提锂装置中：
按照有机玻璃上板、吸附膜电极板、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极板、有机玻璃下板顺序组装成膜电容单元。电极面积为100cm2。
将原料池、蠕动泵、直流稳压电源、膜电容单元、电导率仪、计算机、测试槽和回收液池按图1进行组装。将原料池通过蠕动泵与膜电容单元上板的入口连接，膜电容单元下板的出口经测试槽与回收液池连接。电导率仪探针插入测试槽中。直流稳压电源与膜电容单元连接；电导率仪、直流稳压电源与计算机相连用于设置条件参数和存储测试数据。
(3)提取锂步骤：
a、锂提取过程：运行装置，施加电压0.5～2V。原料池中含锂溶液通过蠕动泵流膜电容单元，含锂溶液中锂离子向吸附膜电极板迁移，并吸附在电极上；同时，氯离子通过阴离子交换膜向活性炭电极板迁移；隔膜阻碍了正负电极短接；在电压作用下发生公式1中的电化学反应；电导率随着装置运行时间延长而增加，并逐渐趋于平衡，即吸附容量达到上限，反应结束；反应后的溶液流入回收液池中，其中锂离子浓度降低，其他离子浓度基本不变，可返回原料池中继续提取锂。
含锂溶液的成分是：Li+浓度为0.01～100g/L，Mg2+浓度为0.01～100g/L，K+浓度为0.01～100g/L，Na+浓度为0.01～100g/L，Cl-浓度为0.01～100g/L，SO4 2-浓度为0.01～100g/L。
b、锂回收过程：将原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压0.5～5V，即正负极反接，上述吸附在膜电极板上的锂离子被脱附到水中，膜电极材料发生公式2中的电化学反应，电导率随着装置运行时间延长而降低，并逐渐趋于平衡，即锂离子从吸附电极上完全脱出，反应结束，回收液池中为纯锂溶液，经蒸发浓缩后可直接用于制备电池级碳酸锂，锂被回收。
公式1：MnO+2Li++2e-→Mn0+Li2O
公式2：Mn0+Li2O-2e-→MnO+2Li+
图2为实施例1制备吸附膜电极材料的(a)XRD图和(b)HRTEM图。表明合成了晶相为碳包覆的MnO结构材料，包覆层厚度为1.59nm。
图3是实施例1测试槽中锂离子浓度的变化(a)锂提取过程和(b)锂回收过程。通过检测锂离子浓度计算吸附容量为83.2mg/g，脱附率为96.4％。
本发明的显著效果：
制备电极材料MnO@C用于吸附-电化学耦合法含锂溶液中锂资源的提取，通过吸附和电化学协同的方法提锂，锂吸附量达83.0mg/g，脱出率高达96.1％，实现了锂资源的高效分离，并为锂资源的提取提供了重要途径。本发明电极材料碳包覆层厚度可调，在吸附-电化学耦合技术下能高容量的提取锂资源并回收。
附图说明
图1是吸附-电化学耦合技术提锂装置示意图。(1)为原料池、(2)为蠕动泵、(3)为直流稳压电源、(4)为膜电容单元、(5)为电导率仪、(6)为计算机、(7)为测试槽、(8)为回收液池。
图2是实施例1制备吸附膜电极材料的表征图，(a)为X射线衍射图，(b)高分辨率的透射电镜图。
图3是实施例1测试槽中锂离子浓度的变化，(a)锂提取过程和，(b)锂回收过程
具体实施方式
实施例1
A.称取Li2CO3 2.9556g，MnCO3 18.392g，在500℃下煅烧4h，升温速率3℃/min，得到LiMn2O4。将2.7g LiMn2O4分散于120mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌24h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.量取N,N-二甲基甲酰胺53mL、乙醇3.5mL、水3.5mL配置混合溶液，称取MnCl2·4H2O2.198g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.6665g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。
C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO2加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在80℃下反应2h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于40℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为480℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料MnO@C，碳包覆层厚度为1.59nm，XRD图和HRTEM图见图2。
将MnO@C应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备：
活性炭电极板制备：将0.5g活性炭粉和0.2g聚偏氟乙烯混合，溶解于5mL N,N-二甲基乙酰胺中混合调成糊状，涂于石墨板上，在50℃的真空烘箱中干燥过夜，并使用辊压机进行压制成200μm的薄片，得到活性炭电极板。
吸附膜电极板制备：将0.2g聚乙烯醇溶于4mL水，加入0.5g膜电容电极材料并滴加1mL戊二醛，并涂在石墨板上，干燥，在表面喷洒HCl溶液，于60℃真空干燥并压制成200μm的薄片，得到MnO@C膜电极板。
(2)将电极板组装进提锂装置中：
按照有机玻璃上板、吸附膜电极板、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极板、有机玻璃下板顺序组装膜电容单元。电极面积为100cm2。
将原料池、蠕动泵、直流稳压电源、膜电容单元、电导率仪、计算机、测试槽和回收液池按图1进行组装。
(3)提取锂步骤
a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.0V。原料池中溶液Li+浓度为0.05g/L，Mg2+浓度为0.633g/L，K+浓度为0.1g/L，Na+浓度为2g/L，Cl-浓度为3.43g/L。原料池中溶液通过蠕动泵流入膜电容单元，溶液中锂离子向吸附膜电极板迁移，并吸附在电极上。回收液池中含有少量锂离子，可返回原料液中继续提取锂。电导率随着装置运行时间延长而增加，并逐渐趋于平衡，达到平衡所需时间为123s，通过ICP测试，吸附锂质量为41.6mg，吸附容量为83.2mg/g。锂提取过程测试槽中锂离子浓度的变化见图3(a)。
b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。原料池中装入去离子水，锂离子被脱附到水溶液中。回收液池为纯锂溶液。电导率随着装置运行时间延长而降低，并逐渐趋于平衡，通过ICP测试，脱附锂质量为40.1mg，脱附率为96.4％。锂回收过程测试槽中锂离子浓度的变化见图3(b)。
实施例2
A.称取Li2CO3 1.4778g，MnCO3 9.196g，在550℃下煅烧5h，升温速率4℃/min，得到LiMn2O4。将1.35g LiMn2O4分散于60mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌26h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.量取N,N-二甲基甲酰胺26.5mL、乙醇1.8mL、水1.8mL配置混合溶液，称取MnCl2·4H2O 1.099g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.333g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。
C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO2加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在60℃下反应4h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥10h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为530℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为为膜电容电极材料MnO@C，碳包覆层厚度为2.86nm。
将MnO@C用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备同实施例1
(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1
(3)提取锂步骤
a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.2V。原料池中溶液Li+浓度为0.11g/L，Mg2+浓度为1.39g/L，K+浓度为0.5g/L，Na+浓度为2.5g/L，Cl-浓度为4.87g/L。反应达到平衡所需时间为399s，通过ICP测试，吸附锂质量为25.4mg，吸附容量为50.8mg/g。
b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压2.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为24.7mg，脱附率为97.4％。
实施例3
A.称取Li2CO3 5.9112g，MnCO3 36.784g，在600℃下煅烧6h，升温速率8℃/min，得到LiMn2O4。将5.4g LiMn2O4分散于240mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌36h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.量取N,N-二甲基甲酰胺106mL、乙醇7mL、水7mL配置混合溶液，称取MnCl2·4H2O4.396g、2,5-二羟基对苯二甲酸1.333g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。
C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO2加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在40℃下反应6h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于60℃下，干燥8h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为580℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料MnO@C，碳包覆层厚度为3.01nm。
将MnO@C用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备同实施例1
(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1
(3)提取锂步骤
a、锂提取过程：运行装置，施加电压0.8V。原料池中溶液Li+浓度为0.5g/L，Mg2+浓度为6.33g/L，K+浓度为1g/L，Na+浓度为3g/L，Cl-浓度为8.08g/L。反应达到平衡所需时间为387s，通过ICP测试，吸附锂质量为29.8mg，吸附容量为59.6mg/g。
b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压2.8V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为28.8mg，脱附率为96.8％。
实施例4
A.称取Li2CO3 4.4334g，MnCO3 27.588g，在650℃下煅烧8h，升温速率10℃/min，得到LiMn2O4。将4.05g LiMn2O4分散于180mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌48h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.量取N,N-二甲基甲酰胺79.5mL、乙醇5.3mL、水5.3mL配置混合溶液，称取MnCl2·4H2O 3.297g、2,5-二羟基对苯二甲酸0.999g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。
C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO2加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在100℃下反应2h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为630℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料MnO@C，碳包覆层厚度为3.59nm。
将MnO@C用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备同实施例1
(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1
(3)提取锂步骤
a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.1V。原料池中溶液Li+浓度为1.5g/L，Mg2+浓度为18.99g/L，K+浓度为1.5g/L，Na+浓度为5g/L，Cl-浓度为16.73g/L。反应达到平衡所需时间为123s，通过ICP测试，吸附锂质量为31.6mg，吸附容量为63.2mg/g。
b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量30.1mg，脱附率为95.3％。
实施例5
A.称取Li2CO3 5.172g，MnCO3 32.186g，在500℃下煅烧4h，升温速率3℃/min，得到LiMn2O4。将4.725g LiMn2O4分散于204mL的0.5mol/L盐酸溶液中，搅拌24h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2。
B.量取N,N-二甲基甲酰胺90mL、乙醇6mL、水6mL配置混合溶液，称取MnCl2·4H2O3.737g、2,5-二羟基对苯二甲酸1.133g溶解到混合溶液中，制备Mn-MOF-74的原料液。
C.将步骤A所得的1.5gλ-MnO2加入到步骤B制备的60mL Mn-MOF-74的原料液中，混合均匀后转移到反应器中，在120℃下反应1h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤三次；于50℃下，干燥12h，得到Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2。
D.步骤C所得粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为530℃，升温速率为10℃/min。得到的煅烧产物即为膜电容电极材料MnO@C，碳包覆层厚度为4.857nm。
将MnO@C用作膜电容电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂
(1)电极板制备同实施例1
(2)将电极板组装进提锂装置中同实施例1
(3)提取锂步骤
a、锂提取过程：运行装置，施加电压1.1V。原料池中溶液Li+浓度为1.5g/L，Mg2+浓度为18.99g/L，K+浓度为1.5g/L，Na+浓度为5g/L，Cl-浓度为16.73g/L。反应达到平衡所需时间为270s，通过ICP测试，吸附锂质量为35.7mg，吸附容量为71.4mg/g。
b、锂回收过程：原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压3.5V，即正负极反接。通过ICP测试，脱附锂质量为34.4mg，脱附率为96.5％。

Claims (3)

1.一种膜电极材料的制备方法，具体制备步骤如下：
A.将碳酸锂和碳酸锰按Li/Mn摩尔比为0.1～10的比例混合均匀，在300～800℃下煅烧1～8h，升温速率1～10℃/min，得到LiMn2O4；按照固液比为1:10～100，将LiMn2O4分散于0.1～2mol/L的盐酸溶液中，搅拌12～48h；分离出固体产物，干燥得到λ-MnO2；
B.将MnCl2·4H2O、2,5-二羟基对苯二甲酸(DHTA)按照摩尔比为1～5：1的比例溶解到混合溶剂中，充分混合得到原料液；
所述的混合溶剂是X、乙醇、水按照(2～20)：1：1体积比配制的；其中X为丙酮、四氢呋喃、甲醇、N,N-二甲基甲酰胺中的一种或几种的混合液；
C、将步骤A的λ-MnO2加入到步骤B制备的原料液中，使固含量为5～50g/L，混合均匀后转移到反应器中，在80℃～180℃下反应1～48h；冷却到室温，出料、悬浮液离心过滤，并用DMF溶液洗涤滤饼三次；于40℃～80℃下，干燥3～12h，得到粉末状Mn-MOF-74包覆的λ-MnO2；
D.步骤C得到的粉末在管式气氛炉中氮气气氛下煅烧，温度为480℃～800℃，升温速率为2～10℃/min；得到的产物为C包覆在MnO表面，表示为MnO@C，其中碳层厚度为1-5nm。
2.一种根据权利要求1所述的方法制备的膜电极材料，其化学表示式为：MnO@C，其中C包,覆在MnO表面，碳层厚度为1-5nm。
3.一种权利要求2所述的膜电极材料的应用，将该膜电极材料应用于吸附-电耦合法提取锂，具体方法如下：
(1)电极板制备：
活性炭电极板制备：将0.5g活性炭粉与0.2g聚偏氟乙烯混合，再加入5mL N,N-二甲基乙酰胺调成糊状，涂于石墨板上，在50℃的真空烘箱中干燥过夜，并使用辊压机进行压制成200μm的薄片，得到活性炭电极板；
吸附膜电极板制备：将0.2g聚乙烯醇溶于4mL水，加入0.5g MnO@C并滴加1mL戊二醛混合调成糊状，涂在石墨板上，干燥，在表面喷洒HCl溶液，于60℃真空干燥并压制成200μm的薄片，得到MnO@C膜电极板；
(2)将电极板组装进提锂装置中：
按照有机玻璃上板、吸附膜电极板、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极板、有机玻璃下板顺序组装成膜电容单元，电极面积为100cm2；
将原料池、蠕动泵、直流稳压电源、膜电容单元、电导率仪、计算机、测试槽和回收液池组装成吸附-电化学耦合提锂装置，具体是将原料池通过蠕动泵与膜电容单元上板的入口连接，膜电容单元下板的出口经测试槽与回收液池连接；电导率仪探针插入测试槽中；直流稳压电源与膜电容单元连接；电导率仪、直流稳压电源与计算机相连用于设置条件参数和存储测试数据；
(3)提取锂步骤：
a、锂提取过程：运行装置，施加电压0.5～2V；原料池中含锂溶液通过蠕动泵流膜电容单元，含锂溶液中锂离子向吸附膜电极板迁移，并吸附在电极上；同时，氯离子通过阴离子交换膜向活性炭电极板迁移；隔膜阻碍了正负电极短接；在电压作用下发生公式1中的电化学反应；公式1：MnO+2Li++2e-→Mn0+Li2O
电导率随着反应时间延长而增加，并逐渐趋于平衡，即吸附容量达到上限，反应结束；反应后的溶液流入回收液池中，其中锂离子浓度降低，其他离子浓度基本不变，可返回原料池中继续提取锂；
所述含锂溶液的成分是：Li+浓度为0.01～100g/L，Mg2+浓度为0.01～100g/L，K+浓度为0.01～100g/L，Na+浓度为0.01～100g/L，Cl-浓度为0.01～100g/L，SO4 2-浓度为0.01～100g/L；
b、锂回收过程：将原料池中装入去离子水，运行装置，施加相反电压0.5～5V，即正负极反接，上述吸附在膜电极板上的锂离子被脱附到水中，膜电极材料发生公式2中的电化学反应，公式2：Mn0+Li2O-2e-→MnO+2Li+
电导率随着装置运行时间延长而降低，并逐渐趋于平衡，即锂离子从吸附电极上完全脱出，反应结束，回收液池中为纯锂溶液，经蒸发浓缩后得到MnO@C产物，直接用于制备电池级碳酸锂。
CN202010541034.7A 2020-06-15 2020-06-15 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂 Active CN111647746B (zh)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010541034.7A CN111647746B (zh) 2020-06-15 2020-06-15 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂
US17/347,035 US20210388465A1 (en) 2020-06-15 2021-06-14 Membrane electrode material, its preparation method and application in lithium extraction by adsorption-electrochemical coupling technology

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010541034.7A CN111647746B (zh) 2020-06-15 2020-06-15 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111647746A true CN111647746A (zh) 2020-09-11
CN111647746B CN111647746B (zh) 2021-04-02

Family

ID=72350540

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010541034.7A Active CN111647746B (zh) 2020-06-15 2020-06-15 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂

Country Status (2)

Country Link
US (1) US20210388465A1 (zh)
CN (1) CN111647746B (zh)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113278820A (zh) * 2021-05-21 2021-08-20 中南大学 一种盐湖提锂用电极材料及其制备方法和应用
CN113293285A (zh) * 2021-05-21 2021-08-24 江苏中南锂业有限公司 一种快离子导体改性提锂电极的制备方法
CN113969359A (zh) * 2021-10-15 2022-01-25 北京化工大学 用于盐湖提锂的膜电极制备方法、膜电极、膜电容单元制备方法及其应用
CN114686701A (zh) * 2022-03-28 2022-07-01 西安热工研究院有限公司 一种利用海上风电海水提锂的系统及工作方法

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240238736A1 (en) * 2021-05-12 2024-07-18 Summit Nanotech Corporation Ion exchange membrane and methods of recovering a target ion
CN114262034B (zh) * 2021-12-31 2022-12-02 合肥工业大学 一种利用聚乙烯醇/壳聚糖/石墨烯/亚铁氰化镍铜复合物分离盐湖卤水中铷的方法
CN114177775B (zh) * 2022-01-11 2023-02-28 江苏巨之澜科技有限公司 一种盐湖提锂纳滤膜及其制备方法和应用
CN114380370A (zh) * 2022-02-14 2022-04-22 河海大学 一种用于反硝化去除硝酸盐的杂化膜电容去离子装置及其使用方法
CN114950410B (zh) * 2022-05-20 2023-09-01 福州大学 一种锆锰复合材料的合成方法
CN115301292A (zh) * 2022-08-19 2022-11-08 沈阳大学 一种利用Co等离子体结构制备复合催化剂的方法
CN115881940B (zh) * 2022-08-25 2024-11-12 江南机电设计研究所 一种低温启动锂离子电池及其制备方法
CN115925054B (zh) * 2022-10-31 2023-12-19 南京工业大学 一种膜泡相合成炭电极复合材料制备方法和应用
CN116020413B (zh) * 2022-12-26 2023-10-13 清华大学深圳国际研究生院 一种去除水中全氟化合物的吸附材料及其制备方法和应用
WO2024197571A1 (zh) * 2023-03-28 2024-10-03 广东邦普循环科技有限公司 一种电化学法提取获得低杂质锂离子的方法和装置
CN116207731B (zh) * 2023-05-05 2023-07-07 石家庄嘉硕电子技术有限公司 提锂槽的供电系统及提锂控制方法
CN117101621A (zh) * 2023-09-11 2023-11-24 南开大学 一种选择性吸附锂离子的亲水杂化膜及其制备方法
WO2025059483A1 (en) * 2023-09-14 2025-03-20 Vanderbilt University Electrochemical ion pumping devices and methods of use thereof
CN117813408B (zh) * 2023-11-22 2025-01-28 广东邦普循环科技有限公司 一种锂基蒙脱石包覆LiFePO4核壳材料及其制备方法和应用
CN119753362B (zh) * 2025-03-06 2025-05-23 太原理工大学 一种在紫外光下进行光催化提取磷酸铁锂电池中锂的方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105047435A (zh) * 2015-08-14 2015-11-11 上海工程技术大学 一种锰金属有机骨架电极材料及其制备方法与应用
CN107887180A (zh) * 2017-11-08 2018-04-06 哈尔滨工业大学 一种在泡沫镍上原位生长Ni‑MOF‑74的方法
CN108219155A (zh) * 2018-01-15 2018-06-29 国家纳米科学中心 一种mof-二氧化锰微球及其制备方法和用途
CN109650455A (zh) * 2019-01-04 2019-04-19 西北工业大学 一种梭型MnO@C复合微球及制备方法
CN110085446A (zh) * 2019-04-11 2019-08-02 北京工业大学 一种原位Ni掺杂Co-MOF-74超级电容器电极材料的制备方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105047435A (zh) * 2015-08-14 2015-11-11 上海工程技术大学 一种锰金属有机骨架电极材料及其制备方法与应用
CN107887180A (zh) * 2017-11-08 2018-04-06 哈尔滨工业大学 一种在泡沫镍上原位生长Ni‑MOF‑74的方法
CN108219155A (zh) * 2018-01-15 2018-06-29 国家纳米科学中心 一种mof-二氧化锰微球及其制备方法和用途
CN109650455A (zh) * 2019-01-04 2019-04-19 西北工业大学 一种梭型MnO@C复合微球及制备方法
CN110085446A (zh) * 2019-04-11 2019-08-02 北京工业大学 一种原位Ni掺杂Co-MOF-74超级电容器电极材料的制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
CUNBAO ZHANG ET AL.: ""Facile fabrication of MnO/C core–shell nanowires as an advanced anode"", 《ELECTROCHIMICA ACTA》 *
Y.C.WANG ET AL.: ""MOF-derived binary mixed metal/metal oxide"", 《ROYAL SOCIETY OF CHEMISTRY》 *

Cited By (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113278820A (zh) * 2021-05-21 2021-08-20 中南大学 一种盐湖提锂用电极材料及其制备方法和应用
CN113293285A (zh) * 2021-05-21 2021-08-24 江苏中南锂业有限公司 一种快离子导体改性提锂电极的制备方法
CN113293285B (zh) * 2021-05-21 2022-04-08 江苏中南锂业有限公司 一种快离子导体改性提锂电极的制备方法
CN113969359A (zh) * 2021-10-15 2022-01-25 北京化工大学 用于盐湖提锂的膜电极制备方法、膜电极、膜电容单元制备方法及其应用
CN113969359B (zh) * 2021-10-15 2022-10-21 北京化工大学 用于盐湖提锂的膜电极制备方法、膜电极、膜电容单元制备方法及其应用
CN114686701A (zh) * 2022-03-28 2022-07-01 西安热工研究院有限公司 一种利用海上风电海水提锂的系统及工作方法
WO2023185097A1 (zh) * 2022-03-28 2023-10-05 西安热工研究院有限公司 一种利用海上风电海水提锂的系统及工作方法

Also Published As

Publication number Publication date
US20210388465A1 (en) 2021-12-16
CN111647746B (zh) 2021-04-02

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111647746B (zh) 膜电极材料及其制备方法及应用于吸附-电耦合法提取锂
CN105161679B (zh) 富锂正极材料及其制备方法和应用
CN101961634B (zh) 一种锰系锂离子筛吸附剂及其前躯体的制备方法
CN114927681B (zh) 一种p2型五元高熵钠层状正极材料及其制备方法和应用
CN107201452A (zh) 一种基于LiMn2O4电极材料从含锂溶液中提锂的方法
CN114212826B (zh) 一种Mo金属掺杂MnO2电极材料及其制备方法和应用
CN104953172A (zh) 一类钠离子电池正极材料及其制备方法、钠离子电池
CN111769265B (zh) 一种改性高镍三元正极材料的制备方法
CN115215389B (zh) 复合改性的前驱体以及正极材料、及其制备方法
CN104941569A (zh) 一种制备锰系锂离子筛吸附剂的方法
CN105355466A (zh) 一种钒氧化物插层镍铝水滑石电极材料的制备方法
CN106450507A (zh) 一种氯氧化铋/氢氧化镍二次碱性电池及其制备方法
CN109860536B (zh) 一种富锂锰基材料及其制备方法和应用
CN104103822B (zh) 锂离子电池负极材料的制备方法
CN107500355A (zh) 一种分层纤铁矿型纳米条状二氧化钒的制备方法
CN115676903B (zh) 一种soec对称电极材料的制备及其电解CO2应用
CN113041988B (zh) 一种钛系锂离子筛及其制备方法与应用
CN113969359B (zh) 用于盐湖提锂的膜电极制备方法、膜电极、膜电容单元制备方法及其应用
CN103936082A (zh) 一种钴酸钐纳米粉体的合成方法
CN118723976A (zh) 一种多孔碳材料及其制备方法和应用
Tang et al. Single-crystalline Al-doped LiMn2O4 nanotubes for electrochemical lithium extraction from brines
CN116613308A (zh) 一种高比容量铁基钠离子电池负极材料及其制备方法
CN1244172C (zh) 锂离子电池层柱锰酸锂正极材料及其插层组装制备方法
CN114678503A (zh) 一种煤沥青基v2o3@c复合材料的制备方法
CN114725364A (zh) 一种层状过渡金属氧化物正极材料及其制备方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant