[发明专利]一种电控煤基炭膜分离装置及其连续分离稀溶液中锂、铯离子的方法

说明书

本发明公开了一种电控煤基炭膜分离装置及其连续分离稀溶液中锂、铯离子的方法。该方法是将负载有电活性离子交换功能材料的煤基炭管膜电极应用于电控离子膜分离系统；电控离子膜分离系统包括膜组件、电路系统和液路系统；利用电活性材料的电控离子交换机理以及电路、液路系统的耦合作用，实现了锂、铯离子的连续选择性分离。本发明装置中无需离子交换膜作为隔膜电极,对膜的致密性要求低，膜组件结构简单、操作方便；溶液中离子与膜材料充分接触，在膜内部进行电化学控制吸、脱附过程,离子的传递速率快、分离效率高；膜的制作工艺简单，使用寿命长，易实现工业化生产。

技术领域

本发明涉及一种电控煤基炭膜分离装置及其连续分离稀溶液中锂、铯离子的方法，具体涉及一种通过电极电位来调节煤基炭膜中电活性离子交换材料的离子吸脱附机制，连续选择性分离回收锂、铯离子，属于离子分离与回收技术领域。

背景技术

盐湖卤水是我国矿产资源的重要组成部分，其中蕴含着丰富的钠、钾、镁、锂、硼等无机盐以及铷、铯、铀、钍等稀有贵金属元素，这些资源的高效开发和利用对促进农业、新能源、核工业、有色金属材料等行业的发展具有重要意义。盐湖卤水资源综合利用开发的核心在于各种共存离子的高选择性分离与提纯。目前，我国对盐湖卤水中钠、钾和镁等含量高的无机盐开发程度相对较高，而针对尾卤中所含的锂、铷、铯、铀等高附加值资源的利用尚处于起步阶段。究其原因主要是由于各离子之间干扰性强且离子浓度相对较低，分离难度大。针对盐湖金属资源的分离技术主要包括沉淀法、离子交换法、萃取法和膜分离等。其中离子交换法因其简便、高效、吸附剂可再生循环使用等优点深具应用前景，然而大部分吸附材料都存在回收困难、吸附速率慢、选择性差、易产生二次污染等缺点，其工业化应用受到很大限制。

近年来，电控离子交换(ESIX)作为一种环境友好的新型、高效离子分离技术备受国内外学者的关注[Journal of Hazardous Materials, 2012, 233: 177-183]。通过调节电活性离子交换功能材料的氧化/还原电位来控制离子的置入/释放，可用于快速分离溶液中极低浓度的目标离子；且离子分离基体无需化学再生，已被用于碱金属如Cs⁺、碱土金属如Ca²⁺、重金属如Pb²⁺、Ni²⁺以及阴离子如ClO^4‒、F^‒的选择性分离。针对盐湖卤水中稀散元素资源的选择性分离，ESIX技术颇具优势。常规ESIX工艺的离子分离与膜的再生过程需要分步进行，且分离目标单一，因此实现ESIX的连续操作、研发对多目标离子具有高选择性及同步快离子交换性能的新型电控膜分离技术，对促进ESIX技术的发展和工业应用具重要意义。

Weidlich等提出一种“一腔两室”的半连续操作过程，并把它应用于导电有机物聚吡咯（PPy）对于Ca²⁺的连续分离[Electrochimica Acta, 2005, 50: 5247-5254]；翟建平等设计了一种基于聚苯胺（PANI）膜电极的ESIX板框式反应器，实现了对自来水中氟离子（F^-）的连续分离[water research, 2011, 45: 5736-5744]。本课题组结合电渗析（ED）和ESIX技术的优点，研发了一种新型的基于隔膜电极反应器的电控离子选择渗透膜分离工艺，通过给膜电极交替施以脱附吸附电位控制目标离子的置入与置出[Journal of MembraneScience, 2017, 535: 20-27; Chemical Engineering Journal, 2017, 328: 293-303]。但这些工艺中离子需穿过隔膜电极，仍存在离子传递阻力大、分离效率低等难题，且目前没有针对煤基炭膜用于盐湖卤水中锂、铯离子电控分离的研究。

发明内容