磁性碳表面锂离子印迹材料选择性提锂研究

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随着锂在电池、核聚变反应堆及航空航天材料等领域的蓬勃发展,全球对锂资源的需求量日益增大。大量锂资源以液态锂存在于盐湖卤水中,为满足日益增长的锂需求量,提取盐湖卤水中的锂资源引起广大研究工作者的关注。吸附法因具有工艺简单、经济环保等优点在锂资源提取方面具有广阔的应用前景。然而,盐湖卤水成分复杂,常规的吸附剂无法实现对锂离子(Li+)的选择性识别与分离。为提高吸附剂的选择识别性,借助表面离子印迹技术,合成具有选择性吸附能力的表面离子印迹材料。目前所制备的表面锂离子印迹材料多为粉末或颗粒状材料,在后续的吸附分离中存在材料易流失且回收困难的问题。为解决此问题,本文引入磁性分离技术,以表面活性较高且机械性能稳定的磁性碳纳米球(Fe3O4@C)及其与氧化石墨烯的复合物(GO/Fe3O4@C)分别作为基质载体,制备可选择性提取Li+且便于分离回收的磁性碳基表面离子印迹材料。具体的研究内容及结果如下:1.Fe3O4@C表面锂离子印迹材料(Li+-IIP-Fe3O4@C)选择性提锂首先,采用硅烷偶联剂KH-570对溶剂热法所得Fe3O4@C进行表面改性,得到硅烷化磁性碳纳米球(Si-Fe3O4@C);之后,采用甲基丙烯酸(MAA)接枝修饰Si-Fe3O4@C,得到MAA修饰的磁性碳纳米球(PMAA-Fe3O4@C);最后,选用与Li+配位的2-羟甲基-12-冠醚-4为功能单体,二甲基丙烯酸乙二醇酯(EGDMA)为交联剂,在引发剂偶氮二异丁腈(AIBN)作用下,引发交联聚合反应得到粒径均一且规整的准球状Li+-IIP-Fe3O4@C。准二级动力学模型和Langmuir等温吸附模型能够更好地描述其吸附行为,在25°C下,Li+-IIP-Fe3O4@C对Li+的最大吸附容量达到22.26 mg/g,并具有高的选择性吸附,Li+相对于Na+、K+和Mg2+的选择性系数分别为8.06、5.72和2.75;再生性研究表明Li+-IIP-Fe3O4@C具有优异的再生性能,经六次吸附-解吸循环实验,其对Li+的吸附容量仅下降8.8%。2.GO/Fe3O4@C表面锂离子印迹材料(Li+-IIP-GO/Fe3O4@C)选择性提锂为了便于分离回收且构建更多的吸附位点以提高吸附容量,将比表面积大且表面活性更高的GO与Fe3O4@C超声复合得到GO/Fe3O4@C磁性载体;然后对其进行KH-570硅烷化改性,得到KH570-GO/Fe3O4@C;进而,采用MAA接枝得到MAA-GO/Fe3O4@C;最后,以与Li+配位的2-羟甲基-12-冠醚-4为功能单体,EGDMA为交联剂,在引发剂AIBN作用下,引发交联聚合反应得到Li+-IIP-GO/Fe3O4@C。Li+-IIP-GO/Fe3O4@C对Li+的吸附行为符合准二级动力学吸附和Langmuir等温吸附,最大吸附量为31.24 mg/g,并且对Li+表现出高的吸附选择性,Li+相对于Na+、K+和Mg2+的选择性系数分别为14.31、12.05和10.9;经六次吸附-解吸循环后,Li+-IIP-GO/Fe3O4@C吸附容量仅下降9%,具有优异的再生性能。综上所述,在锂离子印迹材料中引入Fe3O4@C实现了吸附后分离回收操作的便捷,并将其与GO结合得到GO/Fe3O4@C复合载体,获得更多的表面吸附位点,进而提高磁性碳表面Li+印迹材料的吸附能力及选择性,可为新型提锂材料的开发提供一定的理论基础和发展方向。
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