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锂离子筛膜的制备及其吸附性能研究

作　者: 王盼
导　师: 朱桂茹
学　校: 中国海洋大学
专　业: 应用化学
关键词: 锂离子筛膜聚偏氟乙烯聚氯乙烯吸附
分类号: TQ424.2
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

尖晶石型锰氧化物离子筛对锂选择吸附性能好，是极具发展前景的锂吸附剂。但尖晶石型锰氧化物离子筛为粉状，其流动性和渗透性都较差，不易于工业操作。近年来研究者将锂离子筛前驱体粉末加入到高分子膜材料聚氯乙烯（PVC）铸膜液中，制成锂离子筛前驱体膜。相比于粉状的锂离子筛，可以对膜状锂离子筛进行缠绕等操作，更利于其工业化的应用。本文采用PVC作为成膜材料，制备了掺杂Li_1.6Mn_1.6O₄的PVC锂离子筛前驱体膜，通过SEM和吸附实验考察了PVC浓度、Li_1.6Mn_1.6O₄含量、不同溶剂（DMAc、DMF、NMP）及不同膜厚度对PVC锂离子筛膜吸附性能和结构的影响。吸附实验表明吸附量随着PVC浓度的增大呈现逐渐减小的趋势。控制PVC浓度为10%和12%，铸膜液中前驱体的适宜掺入量均为15%，锂离子筛膜的吸附量分别为1012mg/m2和983mg/m2。随着PVC浓度的增大和前驱体含量的减小，膜表面孔径逐渐变小，膜表面变得致密。分别使DMF、NMP和DMAc作溶剂，以NMP作溶剂时，膜表面前驱体的脱落非常严重，由SEM图可知NMP膜表面出现了较多裂缝，且膜内大孔结构的贯穿性较弱，以DMAc和DMF作溶剂时，无上述现象，且吸附量差别不大，分别为1030mg/m²和1040mg/m²。当膜厚小于0.089mm时，膜厚对吸附量的影响较大，当膜厚大于0.089mm时，膜厚对吸附量无显著影响；当膜厚为0.309mm时，膜断面结构发生突变，指状孔消失，形成了类似海绵状的结构。经8次循环使用后，吸附量变化不大，说明PVC锂离子筛膜具有较好的稳定性。研究发现锂离子筛膜对Li⁺的吸附规律符合Langmuir等温吸附模型。人工海水吸附实验表明在Li⁺、Na⁺、K⁺、Ca²⁺、Mg²⁺共存的溶液中，锂离子筛膜对锂具有优异的选择性吸附性能。将锂锰氧化物(Li_1.6Mn_1.6O₄)添加到聚偏氟乙烯（PVDF）铸膜液中，通过相转化法制备了掺杂Li_1.6Mn_1.6O₄的PVDF锂离子筛前驱体膜，通过SEM和吸附实验考察了PVDF浓度和Li_1.6Mn_1.6O₄含量对锂离子筛膜吸附性能和结构的影响。吸附实验表明，保持前驱体含量不变，吸附量随PVDF浓度的增大逐渐增加，但20%PVDF铸膜液粘度太大，不适于成膜；PVDF浓度为16%， Li_1.6Mn_1.6O₄适宜掺入量为15%，锂离子筛膜的吸附量为698mg/m2；当PVDF浓度为18%，Li_1.6Mn_1.6O₄适宜掺入量为9%，锂离子筛膜的吸附量最高为869mg/m2。随着前驱体含量的增加，16%PVDF膜表面出现了裂缝，膜内的大孔结构逐渐消失，形成了海绵状结构。PVDF锂离子筛膜循环使用4次后，吸附量降低较小，稳定性较好。分别使用聚醚砜（PES）和聚砜（PS）作成膜材料。当PES浓度为16%时，前驱体最适宜的添加量为8%，锂离子筛膜的吸附量为600mg/m2；选取18%PS进行成膜，5%含量的膜表面前驱体脱落现象已经比较明显。

全文目录

摘要  5-7
Abstract  7-13
0 前言  13-14
1 文献综述  14-27
  1.1 引言  14
  1.2 提锂技术研究进展  14-19
    1.2.1 液态锂资源中锂的提取方法  14-15
    1.2.2 无机离子吸附剂  15-19
  1.3 Li_(1.6)Mn_(1.6)O_4的结构及Li+抽提/嵌入反应机理  19-22
    1.3.1 Li_(1.6)Mn_(1.6)O_4的结构  19-20
    1.3.2 Li_(1.6)Mn_(1.6)O_4中Li+的脱出/嵌入反应机理  20-22
  1.4 锂离子筛的成型研究  22-25
    1.4.1 锂离子筛粒状吸附剂  22
    1.4.2 锂离子筛膜状吸附剂  22-25
  1.5 本课题研究的目的及意义  25-27
2 PVC 锂离子筛膜的制备及表征  27-50
  2.1 PVC 膜状锂离子筛的制备  27-30
    2.1.1 实验原料及仪器  27-29
    2.1.2 粉体锂离子筛的合成  29
    2.1.3 PVC 膜状锂离子筛的制备  29-30
  2.2 样品的分析  30
    2.2.1 化学成分  30
    2.2.2 样品的形貌分析  30
  2.3 PVC 锂离子筛膜吸附性能的研究  30-32
    2.3.1 PVC 锂离子筛膜酸洗时间的确定  30
    2.3.2 粉状锂离子筛和 PVC 锂离子筛膜饱和吸附容量的测定  30-31
    2.3.3 不同溶剂对 PVC 锂离子筛膜吸附量的影响  31
    2.3.4 吸附等温线的测定  31
    2.3.5 选择性系数的测定  31-32
  2.4 结果与讨论  32-48
    2.4.1 PVC 锂离子筛膜酸洗和吸附平衡时间的测定  32-34
    2.4.2 PVC 浓度对锂离子筛膜吸附量的影响  34-36
    2.4.3 前驱体含量对 PVC 锂离子筛膜吸附量的影响  36-38
    2.4.4 不同溶剂对吸附量的影响  38-39
    2.4.5 膜厚对 PVC 锂离子筛膜吸附量的影响  39-42
    2.4.6 循环吸附实验  42
    2.4.7 吸附等温曲线  42-44
    2.4.8 吸附动力学模拟  44-46
    2.4.9 选择性系数的测定  46-48
  2.5 本章小结  48-50
3 PVDF 锂离子筛膜的制备及表征  50-60
  3.1 PVDF 膜状锂离子筛的制备  50-51
    3.1.1 实验仪器及原料  50-51
    3.1.2 PVDF 膜状锂离子筛的制备  51
  3.2 分析及表征  51-52
    3.2.1 化学成分分析  51
    3.2.2 样品的形貌分析  51-52
  3.3 PVDF 锂离子筛膜吸附性能的研究  52
    3.3.1 PVDF 锂离子筛膜酸洗时间的测定  52
    3.3.2 粉状锂离子筛和 PVDF 锂离子筛膜饱和吸附容量的测定  52
  3.4 结果与讨论  52-59
    3.4.1 PVDF 锂离子筛膜酸洗时间的确定  52-53
    3.4.2 PVDF 锂离子筛膜对 Li+吸附平衡时间的测定  53-54
    3.4.3 PVDF 浓度和前驱体含量对锂离子筛膜吸附量的影响  54-58
    3.4.4 PVDF 锂离子筛膜循环吸附实验  58-59
  3.5 本章小结  59-60
4 PS 和 PES 锂离子筛膜的制备及表征  60-64
  4.1 PS 和 PES 膜状锂离子筛的制备  60-61
    4.1.1 实验仪器及原料  60-61
    4.1.2 PS 和 PES 膜状锂离子筛的制备  61
  4.2 结果与讨论  61-63
    4.2.1 前驱体含量对 PES 锂离子筛膜吸附量的影响  61-62
    4.2.2 前驱体含量对 PS 锂离子筛膜吸附量的影响  62-63
  4.3 本章小结  63-64
5 总结  64-66
参考文献  66-71
致谢  71-72
个人简历  72
硕士期间发表的论文  72-73

锂离子筛膜的制备及其吸附性能研究

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