锂离子及其他竞争性离子从地热盐水中被锂锰氧化物吸附剂吸附的过程及其在工业应用中的意义

《Separation and Purification Technology》：Sorption of lithium and competing ions from geothermal brine to lithium manganese oxide sorbent and implication for industrial use

选择性锂提取|地热卤水|Li1.6Mn1.6O4|吸附容量|共提取元素|工业应用|BET模型|电化学选择性|离子交换动力学| sustainability

　　本文探讨了从地热卤水等复杂流体中直接提取锂（DLE）过程中，选择性吸附锂并减少其他元素共吸附的关键挑战。研究团队合成了一种具有尖晶石结构的锂锰氧化物（LMO）吸附剂，即Li?.?Mn?.?O?，并将其应用于德国法国边境上莱茵谷地的地热卤水中，以评估其在锂提取中的性能。该研究不仅揭示了LMO吸附剂在不同元素吸附行为上的差异，还提供了对吸附机制的深入理解，为未来工业级DLE技术的发展提供了重要参考。

锂是现代电池技术中不可或缺的材料，随着电动汽车和可再生能源储能需求的增长，锂的提取技术正受到越来越多的关注。传统的锂提取方法主要依赖于盐湖卤水或矿石，而地热卤水因其高锂浓度和丰富的资源，被视为一种具有潜力的新来源。然而，从这些流体中提取锂面临着一个关键问题：如何在高效提取锂的同时，避免其他金属元素的共吸附，从而降低后续纯化过程的复杂性和成本。

尖晶石结构的锂锰氧化物因其高选择性和吸附能力，被认为是解决这一问题的有力候选材料。这种材料具有独特的晶体结构，内部包含可以吸附锂离子的隧道。在合成过程中，这些隧道被优先预处理为锂离子的吸附位点，从而赋予了材料出色的锂选择性。此外，尖晶石结构的LMO还表现出优异的化学稳定性和耐久性，这使其在复杂流体环境中的应用成为可能。

在实验中，研究人员对LMO吸附剂的吸附性能进行了系统分析。他们发现，该吸附剂在地热卤水中能够达到高达30.6 mg/g的锂吸附容量，这一数值远高于许多其他吸附材料。值得注意的是，这一吸附容量的实现并不依赖于高pH值的条件，即使在较低的pH环境下，吸附剂仍然表现出较高的吸附效率。这一特性对于实际工业应用尤为重要，因为许多地热卤水的pH值较低，而调节pH值可能需要额外的化学处理，从而增加操作成本。

除了锂的吸附，研究人员还对其他元素的吸附行为进行了分析。他们发现，LMO吸附剂对锰（Mn）、锌（Zn）和砷（As）的吸附选择性显著高于锂，而对钠（Na）、钙（Ca）和钾（K）的吸附选择性则较低。这一选择性顺序为：Mn > Zn > As > Ba > Li > Sr > Ca > K > Mg。选择性差异的原因在于不同元素的电荷密度和化学性质。例如，碱土金属（如Mn）和碱金属（如Na）的电荷密度较高，这使得它们与吸附剂表面的相互作用更为紧密，但同时也降低了它们的选择性。而Mn、Zn和As等元素由于具有较强的化学结合能力，能够通过形成络合物或发生氧化还原反应的方式与吸附剂表面结合，从而表现出更高的选择性。

研究还指出，LMO吸附剂的吸附过程不仅限于锂与氢离子的交换，还包括其他非特异性吸附机制。例如，在吸附过程中，由于锰离子的溶解，吸附剂表面可能形成一些孔隙和羟基团，这些结构可以进一步吸附其他离子。此外，吸附剂在不同pH条件下的表现也有所不同。在较高pH环境下，吸附剂能够更有效地吸附锂，而在较低pH条件下，吸附容量仍然保持在较高水平。这一发现表明，LMO吸附剂可以在多种条件下实现高效的锂提取，为实际应用提供了更大的灵活性。

尽管LMO吸附剂表现出良好的锂吸附性能，但其在实际应用中也存在一些挑战。例如，某些元素（如Ba、As和Zn）的吸附和脱附过程可能较为复杂，导致其在吸附剂中残留，进而影响锂的纯度。此外，这些元素的脱附不完全，可能会在吸附剂中积累，降低其吸附锂的能力，并增加废弃处理的成本。因此，在工业应用中，需要对这些元素的吸附行为进行进一步优化，以确保锂提取过程的高效性和经济性。

研究还强调了LMO吸附剂在锂提取过程中的快速吸附动力学。这一特性使其特别适用于高流量或短时批次处理的工业应用场景，例如地热发电厂。在这些场景中，吸附剂能够迅速与卤水中的锂离子结合，从而提高整体处理效率。相比之下，其他类型的吸附材料（如锂铝层状双氢氧化物，Li-Al-LDH）虽然在某些条件下表现出良好的吸附性能，但其吸附动力学较慢，需要额外的预热步骤，这在实际应用中可能增加操作成本。此外，Li-Al-LDH吸附剂通常需要在较高pH值下工作，而LMO和锂钛氧化物（LTO）则可以在较低pH值下实现锂的高效吸附，这使得它们在实际应用中更具优势。

然而，LMO吸附剂的某些特性也引发了关注。例如，其在吸附过程中可能会发生氧化还原反应，导致锰离子的溶解，这可能会影响吸附剂的寿命和稳定性。此外，虽然LMO吸附剂的吸附容量较高，但其在脱附过程中需要使用酸性溶液，这可能会增加后续处理的成本。因此，在实际应用中，需要对这些因素进行综合考虑，以优化吸附剂的性能并降低成本。

综上所述，本文的研究为从地热卤水中提取锂提供了重要的科学依据和技术支持。通过合成和测试Li?.?Mn?.?O?吸附剂，研究人员不仅验证了其在锂提取中的高效性，还揭示了其与其他元素吸附行为的差异。这些发现有助于推动DLE技术的发展，特别是在高锂浓度和复杂化学环境下的应用。未来的研究可以进一步探索如何优化吸附剂的性能，以提高锂的纯度并降低其他元素的共吸附影响，从而为锂提取技术的工业化应用奠定更坚实的基础。