锂离子印迹材料的制备及其吸附性能研究

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锂(Li)是战略能源,应用在医药、电子、手机、汽车和航空制造业等方面。锂离子电池电子产品的蓬勃发展,也使得世界对锂的需求量增加,使得合理开发利用锂更加尤为重要。随着盐湖中锂存量越来越大,因而从盐湖中提锂的消耗量也相对较小,从盐湖获得锂受到了普遍重视。表面印迹技术(SIT)是通过在载体的表面或附近建立目标识别系统,所得印迹聚合物外层的结合位点将改善传质并减少模板的永久滞留,提高吸附效率。利用SIT开发锂离子印迹聚合物,可以提高锂的选择性和材料的稳定性,同时降低一些能源消耗和投资和运营成本,将有助于实现可持续和可再生社会。本文采用SIT开发了三种新型锂离子印迹聚合物,通过利用FT-IR、SEM、BET以及TGA表征手段解析了材料的相关特性,并研究了材料的吸附性,选择性及其再生能力等,并根据动力学和等温吸附模型研究了材料的吸附机制,主要结论如下:(1)以MCM-41分子筛为载体合成的MCM-41@Li-IIPs最佳工艺是:乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)为3.8 mL,甲基丙烯酸(MAA)为0.17 mL。在pH为7,温度为 25℃下,MCM-41@Li-IIPs 最大吸附量(1450.59 μmol/g)高于 MCM-41@Li-NIPs(非锂印迹聚合物)最大吸附量(786.67 μmol/g)。吸收行为可以很好的用Langmuir模型和准二级动力学模型来进行描述,说明了吸附剂主要是以化学方式的单层吸附。与MCM-41@Li-NIPs比较,MCM-41@Li-IIPs的Li+选择系数更高,且相对选择性分离因子均超过1。六次循环后,MCM-41@Li-IIPs对Li+吸附容量略有下降,而且保持稳定的结构。(2)以活性炭为载体获得了 Li-IIPs。利用 10%(v/v)HC1 和 32.5%(v/v)HNO3纯化活性炭的表面活性,然后使用3-(三甲氧基硅基)甲基丙烯酸丙酯(KH-570)水解改性氧化活性炭,考察发现改性活性炭的最佳KH-570剂量为15 mL。在pH为6,温度为25℃,锂印迹和非印迹均达到吸附饱和,Li-IIPs的最大吸附量(2267.76 μmol/g)高于Li-NIPs 的最大吸附量(1548.51 μmol/g)。Radushkevich-Dubinin(DKR)和准一级动力学模型可以更好的解释吸附剂的吸附行为,说明材料吸附遵循孔隙填充机制和涉及范德华键的多层特征。同时Li-IIPs的平均自由能为6.9 kJ/mol,说明吸附属于物理吸附过程。Li-IIPs与Li-NIPs之间的相对选择性分离因子均大于1.3。吸附-解吸循环8次后,Li-IIPs吸附量为初始吸附量的88.3%。(3)以Zr基金属有机骨架(MOFs)为载体合成了 UiO-66-NH2@Li-IIPs。在pH为6,温度为25℃,锂印迹和非印迹均达到吸附饱和,UiO-66-NH2@Li-IIPs的最大吸附量(2194.56 μmol/g)高于 UiO-66-NH2@Li-NIPs 的最大吸附量(1051.48 μmol/g)。Langmuir模型和准一级动力学模型可以更好的解释吸附剂的吸附行为。UiO-66-NH2@Li-IIPs与UiO-66-NH2@Li-NIPs之间的相对选择性分离因子均大于1。循环5次后,UiO-66-NH2@Li-ⅡPs吸附量仅下降了 21.4%。
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