[发明专利]用于碱水溶液再生的系统和方法

说明书

本发明针对包含金属离子的溶液的再生以及有价值的氢氧化物化合物的制造。具体地说，本发明涉及包含金属离子(例如Al离子)的废电解质溶液，例如用于金属/空气电池组的电解质溶液的再生。本发明进一步涉及层化双氢氧化物的制造，以及任选地从铝酸盐制造三氢氧化铝。

技术领域

本发明涉及包含金属离子的溶液的再生。具体来说，本发明涉及再生碱溶液，例如包含金属离子的废电解质溶液，例如金属/空气电池组或氢产生器中所用的碱性电解质溶液。

背景技术

金属-空气电化学电源，具体来说Al-空气电池组和具有碱性电解质的燃料电池适于电动车、无人驾驶空中交通工具(UAV)、储备和应急电源以及其它应用。

具有碱性电解质的金属-空气系统具有大电化学容量(约8k Wh/kg)。然而，在金属-空气电池组操作期间，金属阳极的溶解产物在电解质中积聚，因此降低金属-空气电池组的效率。因此，在特定操作时间后，电解质溶液需要更换或再生。

一种再生电解质的方式为诱发固体三氢氧化铝(ATH)形式的铝阳极溶解产物沉淀，并且通过过滤去除ATH。然而，并非能够始终通过这一方法完成碱溶液的再生。因此，需要从碱性电解质溶液尽可能全部去除铝溶解产物的方法，并且优选地以有价值副产物形式去除。

除上述ATH之外，溶解铝的一个所要副产物群组可以转化成层化金属氢氧化物(LMH)。LMH由带正电的金属氢氧化物纳米层和夹层负离子和夹层中的水分子组成。层化金属氢氧化物用于离子交换剂、催化剂、抗酸药、磁性材料、控制释放调配物、医药产品和聚合物加强材料，以及透明电极和光电子装置行业中。

LMH可以根据结构和金属-配位体配合类型分成三个类别。一种是可以由通式[M²⁺_1-xM³⁺x(OH)₂]^x+(A^n-)_x/n·mH₂O(M²⁺二价金属，M³⁺：三价金属，A：夹层客体负离子，0<x<1，m和n是整数)表示的层化双氢氧化物(LDH)。示范性LDH是天然存在的矿物质水滑石(HTC)，它也称为羟基碳酸镁铝水合物并且一般由化学式Mg₆Al₂(OH)₁₆CO₃·4H₂O表示。HTC在以下应用领域发现工业用途。

●药剂(抗酸药)

●聚合物添加剂(除酸剂、阻燃剂)

●催化剂或催化剂载体

●吸附剂

●离子交换材料

连同上文所述的HTC，存在其它LDH化合物并且已经在技术文献中描述。这些材料的界定特征是混合金属氢氧化物薄片通过夹层间隙区域隔开的层化结构，所述夹层间隙区域含有水分子和带负电化合物(负离子)，例如碳酸根(CO₃^-2)。这一结构的表述显示于图12中。

夹层间隙中的带负电负离子用作电荷平衡位点来补偿最初仅含有Mg⁺²原子的结构中例如Al⁺³原子的存在而诱发的正电荷。碳酸根是天然形式的HTC矿物质中存在的负离子。然而，合成HTC可以使用夹层中的任何负离子(OH^1-、Cl^1-、NO3^1-、SO4^2-、PO4^3-等)制备。还可以用具有相等+2或+3电荷的其它金属离子(例如Ca、Zn、Fe、Ni、La离子等)置换初始正离子(Mg和Al)。