ИЗВЛЕЧЕНИЕ Li+ ИЗ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ МЕМБРАНАМИ НА ОСНОВЕ ПВДФ, СОДЕРЖАЩИМИ ЧАСТИЧНО ПРОТОНИРОВАННЫЙ ПОЛИТИТАНАТ КАЛИЯ
Аннотация
Извлечение лития из природных водных растворов как альтернативного источника этого химического элемента становится актуальной и востребованной задачей. Среди множества известных методов ионообменная адсорбция считается целесообразной как с точки зрения чистоты конечного продукта, так и с точки зрения экономической эффективности технологических операций. Соединения со слоистой и туннельной структурой являются перспективными ионообменными материалами. В данной работе в качестве адсорбента ионов Li+ исследуется частично протонированный полититанат калия. Это аморфное вещество химического состава K1,3H0,7Ti4,1O9 синтезировано путем обработки рентгеноаморфного слоистого полититаната калия K2O·nTiO2 (n = 4,1) в растворе неорганической кислоты. Мембраны на основе ПВДФ и порошка K1,3H0,7Ti4,1O9 изготовлены методом фазовой инверсии. С использованием кинетических моделей и изотерм адсорбции показано, что модель псевдопервого порядка (qe = 0,5 мг/см2; k1 = 0,014 мин-1) и изотерма адсорбции Фрейндлиха (KF = 0,028 (л)1/n (мг)1-1/n/см2; n = 1,595) лучше всего подходят для описания взаимодействия полученных мембран с ионами лития. Рассчитанные параметры адсорбционной емкости, коэффициента распределения (Kd), коэффициента разделения (α) и коэффициента концентрации (CF) подтверждают высокую селективность исследуемого ионообменного композита по отношению к ионам лития в присутствии ионов натрия и калия. Полученные результаты показывают, что мембрана на основе ПВДФ с частично протонированным полититанатом калия является хорошим кандидатом для селективного извлечения лития из природных водных растворов.
Для цитирования:
Викулова М.А., Максимова Л.А., Рудых В.Ю., Гороховский А.В. Извлечение Li+ из водных растворов мембранами на основе ПВДФ, содержащими частично протонированный полититанат калия. Изв. вузов. Химия и хим. технология. 2024. Т. 67. Вып. 5. С. 62-69. DOI: 10.6060/ivkkt.20246705.6969.
Литература
Lu L.G., Han X.B., Li J.Q., Hua J.F., Ouyang M.G. A review on the key issues for lithiumion battery management in electric vehicles. J. Power Sources. 2013. V. 226. P. 272-288. DOI: 10.1016/j.jpowsour.2012.10.060.
Peng R., Li Y., Su H., Lu Y., Chen M., Du W., Liao B. Experiment and calculation: the Li(Zn, Mn)PO4 solid solution ceramics with low dielectric constant, high quality factor, and low densification temperature. J. Alloys Compd. 2020. V. 842. P. 155709. DOI: 10.1016/j.jallcom.2020.155709.
Khalilzadeh N., Saion E.B., Mirabolghasemi H., Soltani N., Shaari A.H.B., Hashim M.B., Ali N.M., Dehzangi A. Formation and characterization of ultrafine nanophosphors of lithium tetraborate (Li2B4O7) for personnel and medical dosimetry. J. Mater. Res. Technol. 2016. V. 5. P. 206-212. DOI: 10.1016/j.jmrt.2015.11.002.
Khuili M., Fazouan N., El Makarim H.A., Atmani E.H., Abbassi A., Rai D.P. (Li, F) codoped ZnO: Optoelectronic devices applications. Superlattice Microst. 2020. V. 145. P. 106645. DOI: 10.1016/j.spmi.2020.106645.
Wang Q., Zhang Y., Zhang H., Xu Y., Dong H., Zhao C. Structure and electrochemical performance of cobalt oxide layer coated on LiNi0.03Mn1.97O4 cathode materials. J. Alloys Compd. 2017. V. 693. P. 474-481. DOI: 10.1016/j.jallcom. 2016.09.130.
Loganathan P., Naidu G., Vigneswaran S. Mining valuable minerals from seawater: a critical review. Environ. Sci. Water Res. Technol. 2017. V. 3. P. 37-53. DOI: 10.1039/C6EW00268D.
Stamp A., Lang D.J., Wager P.A., Clean J. Environmental impacts of a transition toward e-mobility: the present and future role of lithium carbonate production. J. Clean. Prod. 2012. V. 23. N 1. P. 104-112. DOI: 10.1016/j.jclepro. 2011.10.026.
Heidari N., Momeni P. Selective adsorption of lithium ions from Urmia Lake onto aluminum hydroxide. Environ. Earth Sci. 2017. V. 76. P. 1-8. DOI: 10.1007/s12665-017-6885-1.
Zhang L., Li J., Liu R., Zhou Y., Zhang Y., Ji L., Li L. Recovery of lithium from salt lake brine with high Na/Li ratio using solvent extraction. J. Mol. Liq. 2022. V. 362. P. 119667. DOI: 10.1016/j.molliq.2022.119667.
Widyabuningsih D., Hielwana H., Pauti E., Ridwan I., Rispiandi R., Andrijanto E. Lithium Recovery Using Hy-drogen Manganese Oxide Adsorbent Derived from Spinel Lithium Manganese Oxide: Pemulihan Litium Menggunakan Adsorben Hidrogen Mangan Oksida Berasal dari Spinel Litium Mangan Oksida. J. Rekayasa Bahan Alam dan Energi Berkelanjutan. 2023. V. 7. P. 30-34. DOI: 10.21776/ub.rbaet. 2023.007.01.05.
Tian L., Liu Y., Tang P., Yang Y., Wang X., Chen T., Liu B. Lithium extraction from shale gas flowback and pro-duced water using H1.33Mn1.67O4 adsorbent. Resour. Conserv. Recycl. 2022. V. 185. P. 106476. DOI: 10.1016/j.resconrec. 2022.106476.
Qian F., Guo M., Qian Z., Li Q., Wu Z., Liu Z. Highly Lithium Adsorption Capacities of H1.6Mn1.6O4 Ion‐Sieve by Ordered Array Structure. Chem. Select. 2019. V. 4. P. 10157-10163. DOI: 10.1002/slct.201902173.
Shoghi A., Ghasemi S., Askari M., Khosravi A., Hasan-Zadeh A., Alamolhoda A.A. Spinel H4Ti5O12 nanotubes for Li recovery from aqueous solutions: Thermodynamics and kinetics study. J. Environ. Chem. Eng. 2021. V. 9. P. 104679. DOI: 10.1016/j.jece.2020.104679.
Sun J., Li X., Huang Y., Luo G., Tao D., Yu J., Zhu W. Preparation of high hydrophilic H2TiO3 ion sieve for lithium recovery from liquid lithium resources. Chem. Eng. J. 2023. V. 453. P. 139485. DOI: 10.1016/j.cej.2022.139485.
Li Y., Yang Z., Ma P. Research Progress on New Types of H2TiO3 Lithium-Ion Sieves: A Review. Metals. 2023. V. 13. P. 977. DOI: 10.3390/met13050977.
Nisola G.M., Limjuco L.A., Vivas E.L., Lawagon C.P., Park M.J., Shon H.K., Chung W.J. Macroporous flexible polyvinyl alcohol lithium adsorbent foam composite prepared via surfactant blending and cryo-desiccation. Chem. Eng. J. 2015. V. 280. P. 536-548. DOI: 10.1016/j.cej.2015.05.107.
Hong H.J., Ryu T., Park I.S., Kim M., Shin J., Kim B.G., Chung K.S. Highly porous and surface-expanded spinel hydrogen manganese oxide (HMO)/Al2O3 composite for effec-tive lithium (Li) recovery from seawater. Chem. Eng. J. 2018. V. 337. P. 455-461. DOI: 10.1016/j.cej.2017.12.130.
Zhu G., Wang P., Qi P., Gao C. Adsorption and desorption properties of Li+ on PVC-H1.6Mn1.6O4 lithium ion-sieve membrane. Chem. Eng. J. 2014. V. 235. P. 340-348. DOI: 10.1016/j.cej.2013.09.068.
Park M.J., Nisola G.M., Beltran A.B., Torrejos R.E.C., Seo J.G., Lee S.P. Chung W.J. Recyclable composite nano-fiber adsorbent for Li+ recovery from seawater desalination retentate. Chem. Eng. J. 2014. V. 254. P. 73-81. DOI: 10.1016/j.cej.2014.05.095.
Zhang Y., Liu J., Yang Y., Lin S., Li P. Preparation of granular titaniumtype lithiumion sieves and recyclability assessment for lithium recovery from brines with different pH value. Sep. Purif. Technol. 2021. V. 267. P. 118613. DOI: 10.1016/ j.seppur.2021.118613.
Limjuco L.A., Nisola G.M., Lawagon C.P., Lee S.P., Seo J.G., Kim H., Chung W.J. H2TiO3 composite adsorbent foam for efficient and continuous recovery of Li+ from liquid resources. Colloids Surf. A Physicochem. Eng. Asp. 2016. V. 504. P. 267-279. DOI: 10.1016/j.colsurfa.2016.05.072.
Lawagon C.P., Nisola G.M., Cuevas R.A.I., Kim H., Lee S.P., Chung W.J. Development of high capacity Li+ adsor-bents from H2TiO3/polymer nanofiber composites: Systematic polymer screening, characterization and evaluation. J. Ind. Eng. Chem. 2019. V. 70. P. 124-135. DOI: 10.1016/ j.jiec.2018.10.003.
Wei S., Wei Y., Chen T., Liu C., Tang Y. Porous lithium ion sieves nanofibers: General synthesis strategy and highly selective recovery of lithium from brine water. Chem. Eng. J. 2020. V. 379. P. 122407. DOI: 10.1016/j.cej.2019.122407.
Lin H., Yu X., Li M., Duo J., Guo Y., Deng T. Synthesis of polyporous ion-sieve and its application for selective recovery of lithium from geothermal water. ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. V. 11. P. 26364-26372. DOI: 10.1021/acsami. 9b07401.
Sanchez‐Monjaras T., Gorokhovsky A., Escalante‐Garcia J.I. Molten salt synthesis and characterization of po-tassium polytitanate ceramic precursors with varied TiO2/K2O molar ratios. J. Am. Ceram. Soc. 2008. V. 91. P. 3065. DOI: 10.1111/ j.1551-2916.2008.02574.x.
Yakovleva E.V., Brudnik S.V., Yakovlev A.V., Ryabukhova T.O., Nevernaya O.G., Mostovoy A.S., Olshan-skaya L.N. Sorption of copper (II) cations from aqueous solutions by thermally reduced graphene oxide. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 5. P. 35-42. DOI: 10.6060/ivkkt.20226505.6543.
Batueva T.D., Kondrashova N.B., Chekanova L.G., Shcherban M.G., Bryukhanova M.V. Sorption ability of modified mesoporous materials towards vanadium ions. ChemChemTech [Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim Tekhnol.]. 2022. V. 65. N 3. P. 35-42. DOI: 10.6060/ivkkt. 20226503.6469.
Kang G.D., Cao Y.M. Application and modification of poly (vinylidene fluoride) (PVDF) membranes–a review. J. Membr. Sci. 2014. V. 463. P. 145-165. DOI: 10.1016/j.memsci.2014.03.055.
Vikulova M., Maximova L., Rudyh V., Gorshkov N., Gorokhovsky A. Kinetics of Ion-Exchange Extraction of Lithium from Aqueous Solutions by Protonated Potassium Polytitanates. Processes. 2022. V. 10. P. 2258. DOI: 10.3390/ pr10112258.
Khamizov R.K. A pseudo-second order kinetic equation for sorption processes. Russ. J. Phys. Chem. 2020. V. 94. P. 171-176. DOI: 10.1134/S0036024420010148.
Lagergren S. About the theory of socalled adsorption of soluble substances. Sven. Vetenskapsakad. Handingarl. 1898. V. 24. P. 39-45.
Ho Y.S., McKay G. Kinetic models for the sorption of dye from aqueous solution by wood. Process Saf. Environ. Prot. 1998. V. 76B. P. 183-191. DOI:10.1205/095758298529326.
Ho Y.S., McKay G. A comparison of chemisorption kinetic models applied to pollutant removal on various sorbents. Proc. Saf. Environ. Prot. 1998. V. 76. P.332-340. DOI: 10.1205/095758298529696.
Gu D.L., Sun W.J., Han G.F., Cui Q., Wang H.Y. Lithium ion sieve synthesized via an improved solid state method and adsorption performance for West Taijinar Salt Lake brine. Chem. Eng. J. 2018. V. 350. P. 474-483. DOI: 10.1016/j.cej. 2018.05.191.
Zhang J., Cui X., Yang F., Qu L., Du F., Zhang H., Wang J. Hybrid Cation Exchange Membranes with Lithium Ion‐Sieves for Highly Enhanced Li+ Permeation and Permselectivity. Macromol. Mater. Eng. 2019. V. 304. P. 1800567. DOI: 10.1002/mame.201800567.
Dischinger S.M., McGrath M.J., Bourland K.R., Noble R.D., Gin D.L. Effect of post-polymerization anion-exchange on the rejection of uncharged aqueous solutes in nanoporous, ionic, lyotropic liquid crystal polymer membranes. J. Membr. Sci. 2017. V. 529. P. 72-79. DOI: 10.1016/j.memsci. 2017.01.049.
Wu Y., Hao J., Wu C., Mao F., Xu T. Cation exchange PVA/SPPO/SiO2 membranes with double organic phases for alkali recovery. J. Membr. Sci. 2012. V. 423. P. 383-391. DOI: 10.1016/j.memsci.2012.08.031.
Vikulova M.A., Maximova L.A., Rudyh V.Yu., Gorshkov N.V. Selective lithium extraction from aqueous solutions by layered amorphous protonated potassium polytitanate. J. Adv. Mater. Technol. 2023. V. 8. N 1. P. 60-69. DOI: 10.17277/jamt.2023.01.pp.060-069.
