高选择性盐湖卤水中铷铯离子分离氧化锰吸附剂的制备及应用研究

Porous manganese oxide sieves is one of the most valuable materials for the extraction and separation of low concentration rubidium and cesium ion from salt lakes because of its special structural features. However, the main restriction of the preparation and the biggest obstacle of the wide application of the highly selective manganese oxide sieves is the dissolution loss of manganese and the decrease of structural stability caused by the unstable +3 oxidation state manganese in the structure. Therefore, we aim to synthesize metal ions doped manganese oxide in this project. The structural stability and adsorption capacity will be improved through doping in synthesis and controlling the size and the granulation method of the adsorbant. The effect of pH, temperature, competitive ion, the pore size and particle size, ect on the microstructure of the absorbant will be discussed in detail. The relationship between the structure and the adsorption properties of the synthesized new manganese oxide will be systematically investigated. The preparation procedure and the technological parameter for adsorption/desorption process will be optimized based on the results the adsorption thermodynamics and kinetics studies. In the end, we wish that the new technics and method built up for the extraction and separation of rubidium and cesium ions from the salt lakes can be applied in the industry in a large-scale.

多孔氧化锰离子筛因为结构优势是盐湖卤水中低浓度铷铯离子提取分离最有开发价值的材料之一。然而，因普遍使用材料中氧化锰结构中不稳定的+3氧化态锰元素会造成材料在吸附洗脱过程中锰的溶解损失使结构稳定性下降，成为高选择性盐湖卤水中铷铯离子分离氧化锰吸附剂制备研究的瓶颈和材料在不同介质环境中广泛应用的最大障碍！申请者拟通过金属离子掺杂改性和离子筛粒径和造粒方式的改变以提高材料的稳定性和吸附容量，并探讨其影响规律：系统探讨介质酸碱性、温度、竞争离子种类和浓度、吸附剂孔径和粒径等因素对离子筛微观结构的影响；探讨并揭示制备的新型吸附剂在盐湖卤水中吸附性能与离子筛结构的关系；以吸附过程热力学和动力学实验为指导，提出优化离子筛制备工艺和吸附脱附工艺参数，建立盐湖卤水中低浓度铷铯离子的提取新方法和技术，为材料的大规模应用奠定基础。

二氧化锰由于结构中锰(III)的存在使得骨架带负电荷，因此被称为氧化锰离子/分子筛。同时，因为结构中Mn(III)和锰(IV)间的氧化还原反应，二氧化锰被广泛用作电化学超级电容器。因此，本项目结合特定结构二氧化锰对金属阳离子的特定选择性和二氧化锰作为电容器的离子储存功能，制备了结晶度高、稳定性强的3×3结构Mg-Tod和Ni-Tod锰氧化物铯离子吸附剂以及2×4结构RUB-7锰氧化物铷离子吸附剂。在等温离子吸附的基础上，将材料作为电极，探究吸附剂在电化学作用下对铷铯离子的吸附能力。因为离子交换和电化学过程的共同作用，酸处理后的Mg-Tod和Ni-Tod，在中性电解质溶液中对Cs+的吸附容量达到6.0和11.5 mmol g-1。而RUB-7因为其良好的电容性能，对Rb+的吸附容量达到300 mmol g-1。因为电化学过程的促进，吸附剂在更短的时间内就可以达到较高的吸附容量。同时，由于氧化锰材料的特定孔道结构，在多种阳离子共存条件下，所制备材料分别对Cs离子和Rb离子显示出了极高的选择性。本项目中所制备的铷铯离子吸附剂在较广的pH范围具有高的稳定性，因此材料对盐湖卤水中低浓度铷铯离子的分离富集具有很好的应用前景。