锂离子筛膜的制备及其吸附性能研究

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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Li1.6Mn1.6O4的PVC锂离子筛前驱体膜,通过SEM和吸附实验考察了PVC浓度、Li1.6Mn1.6O4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(Li1.6Mn1.6O4)添加到聚偏氟乙烯(PVDF)铸膜液中,通过相转化法制备了掺杂Li1.6Mn1.6O4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Li1.6Mn1.6O4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%, Li1.6Mn1.6O4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%,Li1.6Mn1.6O4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。
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