多级孔氢氧化铝锂盐吸附剂的合成和性能研究

As the most promising technology for utilizing new energy resources in this century, lithium ion batteries are boosting a strong growth momentum in the coming decades. Lithium extraction by selective sorption merits superior selectivity, high yield, and eco-friendliness, rendering the technology the most prospective solution for the exploitation of less economic lithium resources. To date, studies on the aluminum hydroxide series of adsorbents have been focused on lump materials. There still lies the issue of how to design the pore structure, sizing, and surface properties of the adsorbent or its precursor on a nanoscale, so that its sorption capacity, exchange kinetics, and chemical and heat stabilities could be improved. In the present study, new structures of Al(OH)3 materials such as mesoporous Al(OH)3 and Al(OH)3 nanotubes with multilevel pore sizes from nano to micron will be prepared by hydrothermal synthesis using combined controlling techniques including templates, thermodynamics and supramolecular self-assembly, with aluminum salts and sodium hydroxide as reacants and surfactants as templates. The resulting materials will then be impregnated with LiCl/LiOH by liquid reaction under room temperature, whereby hierarchical porous lithium aluminate adsorbents are prepared. The sorption-desorption mechanism and kinetic characteristics will then be investigated, especially with respect to the distribution of pore sizes, for optimizing the performance of the adsorbents. Besides, the performance of particulate lithium aluminate adsorbents will be tested with lithium-containing brines to facilitate improvements in the preparation procedures, especially with respect to sorption-desorption kinetics, exchange capacity and service life. Obviously, the present study provides a new approach for bettering lithium aluminate adsorbents by conducting researches on the synthesis and performance of aluminum hydroxide adsorbents with multilevel pore sizes.

锂电是本世纪最有前途的一种新能源技术，在今后数十年内将为全球锂需求带来强劲增长。吸附法提锂具有选择性好、收率高、环境友好的优点，是高效回收低品位锂资源最有应用前景的技术。目前针对氢氧化铝系列吸附剂的研究均以块体材料进行，如何在纳米尺度对吸附材料或其前驱体的孔结构、尺寸及表面性质进行设计以提高其吸附容量、改善吸附动力学，乃至吸附材料化学和热稳定性，仍是该领域的难题。以表面活性剂为模板，铝盐和NaOH为原料，进行水热反应，采用模板、热力学控制和自组装等调控手段，制得介孔Al(OH)3、Al(OH)3纳米管等新结构；在此基础上植入氯化锂，制成多级孔锂盐吸附剂，研究其吸附-解吸机理和动力学特征；并采用含锂卤水对颗粒吸附剂进行实验，测试其性能，以期在吸附-解吸动力学、吸附容量和循环寿命等方面获得提高。系统开展具有多级孔分布的氢氧化铝系列吸附剂的合成和性能研究，是提高该类吸附剂性能的一种新途径。

锂电是本世纪最有前途的新能源之一，在今后数十年内全球锂需求将呈现强劲增长。吸附法提锂具有选择性好、收率高、环境友好的优点，是高效回收低品位锂资源最有应用前景的技术之一。目前氢氧化铝系列吸附剂均为块体材料，且吸附容量一般在4-5mg/g，如何对吸附材料的孔结构、尺寸及表面性质进行设计以提高其吸附容量、改善吸附动力学，乃至吸附材料化学和热稳定性，仍是该领域的难题。.本项目设计了多种合成方法（采用不同原料和不同合成路径）制备氢氧化铝吸附剂，并进行了系统表征，以及吸附性能、吸附机理、脱附工艺的研究。.主要工作包括：.以铝盐和 NaOH 为原料，进行水热反应，以油酸、饱和及不饱和脂肪酸、二元酸、CTAB、吐温-80等作为模板，制得了多孔Al(OH)3材料，其中以油酸为模板所合成的材料比表面积为132.656 m2/g，平均孔径17.020 nm，平均孔体积0.479 ml/g，；进一步植入氯化锂制成多孔锂盐吸附剂，常温下静态锂吸附容量可达14mg/g以上，在盐湖卤水中可达7mg/g。.分别以偏铝酸钠、水合硝酸铝以及聚合氯化铝（PAC)）为铝源，在常温常压下合成氢氧化铝锂吸附剂。水合硝酸铝为原料所合成的吸附剂的比表面积最大，在315 m2/g -524 m2/g之间，但吸附容量却较低，且无选择性吸附能力。以聚合氯化铝（PAC)）为原料，所合成吸附剂在模拟卤水中的静态吸附容量为6mg/g，于Li-Na体系和Li-Ca体系选择性很好，Li-Na分离系数达到了175:1，Li-Ca分离系数为39:1，吸附动力学和热力学研究结果表明，吸附过程符合Freundlich等温模型和准二级动力学方程模型，吸附可在8小时基本达到平衡；吸附剂的脱附工艺为，以酸性高纯水（以HCl调节至pH至3左右）为洗脱液，温度为60℃，脱附12h，单次脱附率可达40%。.综合比较，所设计的以聚合氯化铝为原料的合成路径有较大优势：吸附容量较高，且可通过调整孔道结构、表面改性等手段进一步提高其吸附容量；且选择性好，特别是Li-Na分离系数高；合成工艺简单、成本低，易实现工业生产，从而应用于盐湖卤水沉淀提锂后高钠低锂卤水的进一步提锂。