锂离子吸附剂Li/Al LDH-Cl 的可控合成、结构与吸附机理研究

Based on some bottlenecks of extraction lithium resource from low-grade lithiumbrine, and the difficult situation about extracting lithium from lean brineresource in the future, the project will study on a controlled synthesis and relationships of structure – adsorption performances of Lithium/Aluminum Chloride Layered Double Hydroxide (abbreviated as Li/Al LDH-Cl).Using In-situ TEM/XRD techniques, study on the formation law of Li/Al LDH-Cl by self-assembly from amorphous Al(OH)3 and LiCl, which would guide the controlled synthesis’s selection and optimization. The project will study on the microscopic crystal structure of Li/Al LDH-Cl which adsorbed or disadsorbed Li+ by a combined method of theoretical calculation and experimental data, to obtain the chemical environment information of Li+ and other coexistence ions as Al3+, OH- and Cl-,H2O in the layered compound, to obtain the embedded threshold energy and de-embedded threshold energy of Li+ in Li / Al LDH-Cl. The project will study on Li+ adsorption-desorption in Li/Al LDH-Cl, by researching the adsorption-desorption thermodynamic equilibrium and kinetic behavior, and by researching the law of cooperative adsorption and competitive adsorption, to obtain the law of Li+ adsorption-desorption in Li/Al LDH-Cl, wihich would guide the adsorbent-desorption behavior of Li+ in Li/Al LDH-Cl.

基于低品位盐湖卤水锂资源提取技术存在瓶颈、预期未来盐湖锂资源贫矿提锂困难的现状，开展锂离子吸附剂——层状锂铝氢氧化物Li/Al LDH-Cl的可控合成研究及结构-吸附性能的理论研究与实验研究。首先研究无定型Al(OH)3与Li+自组装形成层状锂铝氢氧化物Li/Al LDH-Cl的规律，以指导可控合成条件的选择和优化；以理论计算数据和实验数据相结合的方法，采用原位TEM/XRD等原位技术，研究锂离子吸附剂Li/Al LDH-Cl化合物的晶体结构，获得该层状化合物中Li+所处的化学环境信息及Li+的嵌入阈能/脱嵌阈能。系统开展锂离子吸附剂Li/Al LDH-Cl的吸附/脱附性能研究，通过研究吸附/脱附热力学平衡状态和动力学行为规律，以及协同吸附和竞争吸附的规律，明确Li+在Li/Al LDH-Cl中嵌入/脱嵌规律，从理论上指导Li+在Li/AlLDH-Cl中吸附脱的行为控制。

项目背景：作为能源科技所需要的原材料-锂及锂的化合物的全球消耗量逐年增加。我国作为主要锂产品生产和消费大国，锂资源大量依赖进口。国内卤水锂资源主要分布在青海和西藏，其中青海储量最大。但是柴达木盆地各盐湖资源禀赋异禀，品位差异巨大，这就需要开发出适宜盐湖卤水资源特点的提取工艺。其中富锂矿区东西台吉乃尔一里坪矿区采用膜法已建成万吨级碳酸锂生产线，而低品位的盐湖如察尔汗等正进行吸附法的优化和工艺升级。吸附法适用于低品位含锂卤水中锂提取，其核心是高效稳定吸附剂的制备。. 主要研究内容：1、研究了四种典型氢氧化铝，晶型转换间的相互关系和转换条件，通过研究反应物原料比例、加入顺序、合成温度与时间、pH值、搅拌速度、晶化时间与晶化温度等因素调控Li/Al LDH-Cl 层状结构。.2、Li/Al LDH-Cl 的板层结构研究。研究了典型Li/Al LDH-Cl 层状结构中的锂离子与铝氧八面体结构与位置关系，分析各离子的配位情况、化学键程度、方向，锂离子在Li/Al LDH-Cl 层状结构中的嵌入阈能和脱嵌阈能，指导吸附剂吸附、洗脱条件的选择与优化。.3. 层状化合物 Li/Al LDH-Cl 的吸附性能研究。通过粉末和造粒两种方式组装吸附柱，研究温度、料液锂离子浓度、料液流速、料液流向（降流式或者升流式）、阴阳离子类型及浓度等因素下的吸附性能，并通过温度、不同脱附溶液的组成、脱附液流速、脱附液流向、pH等条件优化吸附剂的脱附性能。分析吸附剂结构坍陷机理，并探索解决抑制吸附剂溶损的有效方法。.重要结果：合成了四种典型的氢氧化铝，并成功的将氯化锂插入层间结构。水相中的水合锂离子先与吸附剂中氧八面体空穴中的部分氧相互作用，然后逐渐进入到氧八面体空穴中。在洗脱的过程中，氧八面体空穴周围的水先与锂离子相互作用，然后锂离子逐步脱离氧八面体空穴，进入到水溶液中。晶体空间类型由ABAB和AABBAABB两种构成，存在着由三方晶系向六方晶系的转变。通过结构修饰和离子取代可一定程度抑制结构塌陷。.关键数据：通过动力学和热力学模拟,得到吸附-脱附过程符合准一级模型, 298K下理论饱和吸附容量2.64mmol/g，平衡吸附常数KL=3.45x10-3L/mg， =-6.16KJ/mol。合成四种典型吸附剂吸附容量大小：无形型>诺水铝石>拜尔石型>三水铝石型,最佳条件下实际吸附容量达到12mg/g。