聚丙烯酸接枝碱激发粉煤灰新型吸附剂在锂回收中的应用：吸附性能与机理解析

本研究开发了一种低成本、可持续的聚丙烯酸改性粉煤灰吸附剂（PFA），通过响应面法优化制备条件（4% PAA、pH 10、6 h搅拌时间），实现锂离子高效回收（最大理论吸附容量37.97 mg·g?1）。表征证实PAA改性显著提升比表面积（1.57→19.33 m2·g?1）和孔隙结构，吸附过程符合伪二级动力学（R2=0.997）和Langmuir模型（R2>0.989），机理涉及羧基物理化学作用（吸附能20.26-22.17 kJ·mol?1）。固定床实验显示动态吸附容量达16.43 mg·g?1，5次再生后仍保持62.7%容量，但需进一步提升对Na+/K+/Mg2+的选择性。

　　

Section snippets

Synthesis of PFA

本研究所有化学品均为分析纯级。粉煤灰样品（CFA）取自山西大同某燃煤电厂，并参照[17]的方法制备成碱改性粉煤灰。聚丙烯酸（PAA）作为改性试剂，系统调整了PAA浓度、pH和搅拌时间等参数以探究其对吸附性能的个体影响，采用Box-Behnken设计优化吸附容量。

Single factor experiments

通过三个制备参数——PAA浓度、改性体系pH和搅拌时间——考察了对PFA吸附性能的影响。Fig.1展示了各参数对PFA吸附行为的作用：Li⁺吸附容量随PAA浓度增加而逐步提升，这主要归因于改性过程中功能基团接枝到PFA表面[24]。更高PAA浓度促进了有益基团的负载。

Conclusions

本研究成功开发了一种新型高效聚丙烯酸功能化粉煤灰吸附剂用于锂回收，为固体废弃物的高值化利用提供了有前景的路径。主要结论是：通过响应面法优化（最佳条件：4% PAA、pH 10、6 h搅拌时间），PAA改性有效将原始粉煤灰转化为新型吸附剂，其比表面积从1.57大幅提升至19.33 m²·g^?1，平均孔径从10.16 nm扩展至17.31 nm。PFA对Li⁺的平衡吸附容量达14.19 mg·g^?1，遵循伪二级动力学（R²=0.997）和Langmuir等温模型（R²>0.989），308 K下最大理论容量为37.97 mg·g^?1。热力学结果表明其为自发吸热过程。碱性条件（pH≈9）下吸附效率显著增强，源于强化后的静电吸引。机理分析——包括FTIR、XPS、位点能量分布和统计物理模型——表明羧基通过物理化学相互作用在Li⁺结合中起关键作用，吸附能介于20.26–22.17 kJ·mol^?1。固定床柱性能受流速、初始浓度和吸附剂质量影响，最优条件下最大动态吸附容量为16.43 mg·g^?1。使用0.1 mol·L^?1 HCl进行5次再生循环后，PFA仍保持62.7%的初始吸附容量，显示出良好可重用性。然而，Na⁺、K⁺和Mg²⁺的竞争吸附导致离子选择性有限。