论文摘要
以尖晶石型钛系复合氧化物为合成目标，合成出Mg2TiO4和Li4Ti5O12两种新型无机提锂交换剂前驱体。用稀盐酸将其转型后，得到Li-Ti-O（H）和Mg-Ti-O（H）交换剂，分别测定它们的离子交换性能以及对Li+的离子交换热力学和动力学。采用沉淀一热结晶法、共研磨一热结晶法、溶胶一凝胶法等3种不同方法制备出尖晶石结构的Li4Ti5O12。以饱和交换容量为评价指标，通过正交试验对3种方法制备的交换剂进行筛选，确定制备Li-Ti-O（H）交换剂的条件为：溶胶一凝胶法；合成温度700—800℃；nLi：nTi=1.04；焙烧时间6h。经x-射线衍射分析，合成产物为纯相尖晶石型Li4Ti5O12。测定了Li-Ti-O（H）交换剂对Li+的饱和交换容量为29.78mg／g交换剂。动力学实验结果表明，Li-Ti-O（H）交换剂对Li+的离子交换反应在2h内，交换率可达到90％以上。交换率在90％以下时，用缩核模型处理动力学数据，得到离子交换动力学方程，线性相关系数大于0.995。采用溶胶—凝胶法合成出尖晶石结构的Mg2TiO4，合成条件为：焙烧温度700℃；nMg：nTi=2.6：1；焙烧时间为4h。以Li+和Ti+的抽出率为评价指标，通过酸浸实验得到制备Mg-Ti-O（H）交换剂所用盐酸的浓度为0.5mol／L。测定了Mg-Ti-O（H）交换剂对Li+的饱和交换容量为45.85mg／g交换剂，是Li-Ti-O（H）交换剂的两倍。采用TG-DSC分析研究了Mg2YiO4凝胶粉体的热分解和相转变过程，温度在600-700℃时，发生高温固相反应。与x-射线衍射分析结果对照，确定此时合成产物为尖晶石型Mg2TiO4。测定了Mg-Ti-O（H）交换剂对碱金属离子的分配系数，结果表明，Mg-Ti-O（H）交换剂对Li2有很好的离子交换选择性。运用Pitzer电解质溶液理论计算了Mg-Ti-O（H）对锂离子交换体系的活度系数，得到该离子交换体系的Kielland图，计算出Mg-Ti-O（H）交换剂的H+-Li+交换体系的平衡常数KaHLi为14.2379，25℃时，AG°为-6583.5J／mol，表明交换剂Mg-Ti-O（H）交换溶液中Li+的反应可自发进行。测定了25℃下Mg-Ti-O（H）交换剂对Li+的交换反应动力学，反应在2h内，交换率达到90％以上。用Fick第一定律处理整个交换过程动力学数据，得到锂离子交换的动力学方程和液膜扩散系数，线性相关系数大于0.97。