碳酸鋰氫化提純實(shí)驗(yàn)方案

./碳酸鋰氫化提純實(shí)驗(yàn)方案一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1.1探究碳酸鋰氫化提純工藝的可行性。11.2摸索除Ca、Mg、Cl、Na的最優(yōu)方法。11.3摸索Li2CO3與CO2料配比。11.4探究可加工原料Li2CO3質(zhì)量圍。11.5摸索最優(yōu)鋰損。11.6摸索生產(chǎn)Li2CO3最優(yōu)圍。11.7探索最佳反應(yīng)條件：T、P、t。11.8摸索最優(yōu)反應(yīng)設(shè)備。1二、實(shí)驗(yàn)原理1三、實(shí)驗(yàn)試劑及儀器53.1實(shí)驗(yàn)試劑53.2實(shí)驗(yàn)儀器5四、實(shí)驗(yàn)容54.1探究溫度對(duì)氫化反應(yīng)的影響54.2探究CO2速率對(duì)氫化反應(yīng)的影響54.3探究攪拌速度對(duì)氫化反應(yīng)的影響54.4探究反應(yīng)時(shí)間的氫化反應(yīng)的影響64.5探究固液比對(duì)氫化反應(yīng)的影響64.6探究732樹脂對(duì)Ca2+、Mg2+金屬離子的吸附效果64.7探究717強(qiáng)堿陰離子樹脂除Cl-效果64.8熱解碳酸氫鋰64.9探究生產(chǎn)Li2CO3最優(yōu)圍7五、實(shí)驗(yàn)表格7六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析9碳酸鋰氫化提純實(shí)驗(yàn)方案實(shí)驗(yàn)?zāi)康奶骄刻妓徜嚉浠峒児に嚨目尚行?。摸索除Ca、Mg、Cl、Na的最優(yōu)方法。摸索Li2CO3與CO2料配比。探究可加工原料Li2CO3質(zhì)量圍。摸索最優(yōu)鋰損。摸索生產(chǎn)Li2CO3最優(yōu)圍。探索最佳反應(yīng)條件：T、P、t。摸索最優(yōu)反應(yīng)設(shè)備。實(shí)驗(yàn)原理鹽湖中含碳酸鋰,可將其與去離子水混合制成漿料,然后與二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)碳酸氫鋰,之后將碳酸氫鋰用732樹脂除Ca2+、Mg2+,然后將其熱解可生成碳酸鋰,之后將碳酸鋰水洗、干燥可得到純凈碳酸鋰。最后檢測(cè)產(chǎn)品的碳酸鋰中各組分的含量。主要反應(yīng)方程式：制備碳酸鋰工藝流程如下圖2-1所示。原料原料Li2CO3氫化過濾離子交換過濾、洗滌、干燥熱解、結(jié)晶樹脂再生除Cl-產(chǎn)品化學(xué)分析去離子水、CO2母液循環(huán)化學(xué)分析圖2-1制備碳酸鋰工藝流程圖氫化實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)步驟：將原料碳酸鋰與去離子水按照一定比例混合攪拌成料漿,向料漿通入高純度的CO2氣體,控制適當(dāng)?shù)臏囟?、攪拌速度、固液比和CO2氣體流速,使Li2CO3與CO2的水溶液充分反應(yīng)生成LiHCO3溶液。再經(jīng)過過濾操作出去不溶性雜質(zhì),得到澄清的LiHCO3溶液。氫化實(shí)驗(yàn)裝置如下圖2-2所示。圖2-2氫化反應(yīng)裝置分解結(jié)晶的實(shí)驗(yàn)步驟：利用Li2CO3的溶解度隨溫度的升高而降低的性質(zhì),將離子交換過濾后的氫化溶液在適宜的攪拌速度下恒溫水浴加熱,在加熱條件下,碳酸氫鋰分解為L(zhǎng)i2CO3、H2O與CO2氣體,經(jīng)過過濾、洗滌、干燥后可得到目標(biāo)產(chǎn)物。分解結(jié)晶裝置圖如下圖2-3所示。圖2-3分解結(jié)晶裝置圖Li+含量的測(cè)定：氫化反應(yīng)過程中Li+含量采用火焰原子吸收光譜法〔FAAS進(jìn)行測(cè)定。先配置以0mg/L、5mg/L、10mg/L、20mg/L、30mg/L、40mg/L的Li+標(biāo)準(zhǔn)溶液,用FAAS測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)溶液的吸光度,獲得標(biāo)準(zhǔn)曲線。把樣品稀釋到配置的標(biāo)準(zhǔn)濃度梯度圍,通過濃度與吸光度曲線得出稀釋后的樣品濃度。732樹脂吸附去除率：〔2-1732樹脂平衡吸附去除率：〔2-2式中：為離子初始濃度,mg/L；為吸附t時(shí)刻的離子濃度,mg/L；為吸附平衡時(shí)離子濃度,mg/L。Cl-的測(cè)定：在微酸溶液中,氯離子會(huì)與二價(jià)汞離子結(jié)合生成難解離的可溶而無色的氯化高汞,當(dāng)氯離子被完全結(jié)合后,過量的汞離子會(huì)與指示劑二苯偶氮碳酰肼生成櫻紅色絡(luò)合物。可利用此性質(zhì)檢測(cè)氯離子的含量。具體方法如下：準(zhǔn)確量取1.00-10.00ml的待檢測(cè)溶液,按體積比1:15的比例加入無水乙醇,加入0.5g/L的溴酚藍(lán)指示劑2滴,用0.5mol/L的NaOH〔aq和0.5mol/L的硝酸〔aq調(diào)節(jié)溶液顏色由藍(lán)色變?yōu)辄S色,加入3~4滴100g/L的二苯偶氮羰酰肼指示劑,用硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)溶液滴定,直到溶液顏色剛變?yōu)闄鸭t色為終點(diǎn)。計(jì)算公式如公式〔2-3。式中：c為氯離子濃度,mg/L；為硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)液濃度mol/L；為滴定時(shí)消耗硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)液的體積,ml；為滴定空白時(shí)消耗硝酸汞標(biāo)準(zhǔn)液的體積,ml；V為溶液樣品的體積,ml。實(shí)驗(yàn)試劑及儀器實(shí)驗(yàn)試劑鹽湖、CO2、去離子水、732樹脂、717強(qiáng)堿陰離子樹脂、LiOH·H2O〔AR、HgNO3、0.5mol/LNaOH〔aq、0.5mol/LHNO3〔aq、二苯偶氮碳酰肼、0.5g/L溴酚藍(lán)、無水乙醇。實(shí)驗(yàn)儀器電子天平、pH酸度計(jì)、玻璃棒、1000mL燒杯、烘箱、氣體質(zhì)量流量控制器、智能高低溫循環(huán)水器、數(shù)顯恒溫水浴鍋、夾套式三相反應(yīng)釜或三頸燒瓶、電動(dòng)攪拌器、火焰原子吸收光譜儀、濾紙、抽濾機(jī)。實(shí)驗(yàn)容探究溫度對(duì)氫化反應(yīng)的影響由于碳酸鋰的氫化反應(yīng)為可逆反應(yīng),而且碳酸鋰的溶解度隨溫度上升而下降,溫度也對(duì)CO2氣體的溶解度、碳酸氫鋰的分解、溶質(zhì)的擴(kuò)散、傳質(zhì)、反應(yīng)速率產(chǎn)生影響,因此要探究溫度對(duì)氫化反應(yīng)的影響。將10.0000g原料碳酸鋰與400.0000g去離子水〔1∶40放入1000mL燒杯中,攪拌制成漿液,在攪拌速度為200r/min的條件下持續(xù)通入CO2氣體流量為0.1L/min〔標(biāo)況,反應(yīng)時(shí)間為60min,分別做反應(yīng)溫度為283.15K、288.15K、293.15K、298.15K、303.15K、308.15K一共六組實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表5-1中。做完283.15K～308.15K實(shí)驗(yàn)后,分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)找出最適反應(yīng)溫度,然后再以此溫度為基準(zhǔn)做±5K,溫度梯度1K的十組實(shí)驗(yàn),重復(fù)上述實(shí)驗(yàn),將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表5-2中。探究CO2速率對(duì)氫化反應(yīng)的影響在碳酸鋰的氫化反應(yīng)過程中,氣體CO2是一個(gè)氣液傳質(zhì)過程在給定的溫度和攪拌速度條件下,CO2氣體流速是影響氣液傳質(zhì)速率的重要因素。若增大CO2氣體的流速,不但可以提高氣液傳質(zhì)的推動(dòng)力,而且也可以增大氣-液相間體積傳質(zhì)系數(shù)和加快傳質(zhì)速率,進(jìn)一步加快氫化反應(yīng)速率。將10.0000g原料碳酸鋰與400.0000g去離子水放入1000mL燒杯中,攪拌制成漿液,在攪拌速度為200r/min的條件下持續(xù)通入CO2氣體,反應(yīng)時(shí)間為90min,反應(yīng)溫度為293.15K,考察CO2氣體的流速為0.1L/min、0.3L/min、0.5L/min、0.7L/min、0.9L/min、1.1L/min、1.3L/min、1.5L/min對(duì)反應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表5-3中。探究攪拌速度對(duì)氫化反應(yīng)的影響碳酸鋰的氫化反應(yīng)是典型的非催化氣-液-固三相反應(yīng)體系,而攪拌速度對(duì)此反應(yīng)體系具有重要影響。在氫化反應(yīng)過程中,Li2CO3與CO2的水溶液發(fā)生的化學(xué)反應(yīng),能夠瞬間完成,因此,Li2CO3的溶解擴(kuò)散和CO2的傳質(zhì)吸收決定了該過程的化學(xué)反應(yīng)速率。CO2和Li2CO3在常溫下的溶解度均小,因此可以通過增大液體的湍動(dòng),來加快碳酸鋰固體的溶解及氣-液間的傳質(zhì)速率和擴(kuò)散速率和擴(kuò)散速率,使體系中的反應(yīng)物充分混合,促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。將10.0000g原料碳酸鋰與400.0000g去離子水放入1000mL燒杯中,攪拌制成漿液,在攪拌速度為200r/min的條件下持續(xù)通入CO2氣體流速為4.2實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)的流速,反應(yīng)時(shí)間為90min,反應(yīng)溫度為293.15K,考察反應(yīng)攪拌速度分別為150r/min、200r/min、250r/min、300r/min、350r/min、400r/min對(duì)氫化反應(yīng)的影響,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表5-4。探究反應(yīng)時(shí)間的氫化反應(yīng)的影響反應(yīng)時(shí)間是衡量反應(yīng)進(jìn)行程度的重要指標(biāo),研究碳酸鋰氫化過程的最佳反應(yīng)時(shí)間能有效指導(dǎo)工業(yè)生產(chǎn),在獲得高產(chǎn)率的同時(shí),能減少能耗和節(jié)約成本以提高經(jīng)濟(jì)效益。將10.0000g原料碳酸鋰與400.0000g去離子水放入1000mL燒杯,攪拌制成漿料,在攪拌速率為200r/min,反應(yīng)溫度289.15K的條件下持續(xù)通入氣體速率為4.2實(shí)驗(yàn)中最優(yōu)流速的CO2氣體充分反應(yīng),分別移取反應(yīng)時(shí)間為5min、10min、20min、30min、40min、50min、60min后的氫化液,用原子吸收光譜〔AAS測(cè)定氫化液稀釋后的Li+濃度。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄在表5-5中,并根據(jù)表5-5做出氫化反應(yīng)過程中Li+濃度和碳酸鋰的轉(zhuǎn)化率隨時(shí)間的變化曲線。探究固液比對(duì)氫化反應(yīng)的影響固液比的多少直接影響氫化反應(yīng)過程中的傳質(zhì)及反應(yīng)速率,在傳質(zhì)過程中,可以通過提高反應(yīng)物的濃度來增大傳質(zhì)推動(dòng)力,以達(dá)到提高傳質(zhì)速率的目的。然而,提高漿液混合物中的固體濃度,會(huì)增加其體積濃度,從而提高液相和固液界面的擴(kuò)散阻力。在不斷攪拌條件下持續(xù)通入CO2氣體,攪拌速度為200r/min,氣體流速為4.2的最優(yōu)流速,反應(yīng)時(shí)間為60min的條件下,考察原料碳酸鋰與水的配比分別為1：40、1：35、1:30、1:25、1:20對(duì)氫化反應(yīng)的影響。分別在不同反應(yīng)時(shí)間點(diǎn)進(jìn)行取樣,用火焰原子吸收光譜儀測(cè)定溶液中的Li+濃度變化。觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表5-6。探究732樹脂對(duì)Ca2+、Mg2+金屬離子的吸附效果用電子天平稱取原料碳酸鋰10.0000g,加入三頸燒瓶。按照實(shí)驗(yàn)4.5中最優(yōu)固液比加入去離子水,攪拌成漿液,將電子恒溫水浴鍋溫度保持在實(shí)驗(yàn)4.1中最優(yōu)溫度,通入CO2氣體速率為實(shí)驗(yàn)4.2最優(yōu)速率,調(diào)節(jié)攪拌器控制速度在實(shí)驗(yàn)4.3中最優(yōu)攪拌速度,反應(yīng)時(shí)間為實(shí)驗(yàn)4.4中最優(yōu)反應(yīng)時(shí)間,充分反應(yīng)。將得到的溶液用抽濾機(jī)抽濾,除去不溶性雜質(zhì),檢測(cè)濾液中Ca2+、Mg2+的含量,將濾液加入到10.0000g732樹脂中,吸附Ca2+、Mg2+金屬離子,吸附90min,抽濾機(jī)抽濾,得到碳酸氫鋰溶液,檢測(cè)其中Ca2+、Mg2+的含量,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表5-7。探究717強(qiáng)堿陰離子樹脂除Cl-效果將實(shí)驗(yàn)4.6得到的碳酸氫鋰溶液,檢測(cè)其中Cl-的含量,將其溶液通過10.0000g717離子交換樹脂吸附Cl-,吸附時(shí)間40min,抽濾機(jī)抽濾,得到碳酸氫鋰溶液,檢測(cè)其中Cl-的含量,觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于表5-8。熱解碳酸氫鋰將實(shí)驗(yàn)4.7所得的濾液,1000ml燒杯中,置于90℃數(shù)顯恒溫水浴鍋中加熱充分?jǐn)嚢杞Y(jié)晶得到Li2CO3沉淀,用抽濾機(jī)抽濾,用去離子水反復(fù)沖洗沉淀,將沖洗后的沉淀放入恒溫干燥箱80℃恒溫干燥20h后取出稱重,記錄數(shù)據(jù),研磨,過篩得到目標(biāo)產(chǎn)物,稱重記錄并檢測(cè)其中的成分,計(jì)算鋰損。探究生產(chǎn)Li2CO3最優(yōu)圍多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)4-6~4-7,并檢測(cè)得到碳酸鋰的成分,記錄數(shù)據(jù)于表5-9得到可生產(chǎn)Li2CO3最優(yōu)圍。實(shí)驗(yàn)表格表5-1反應(yīng)溫度對(duì)氫化反應(yīng)的影響1溫度/K不同時(shí)間碳酸鋰氫化的轉(zhuǎn)化率/%5min10min20min30min40min50min60min283.15288.15293.15298.15303.15308.15表5-2反應(yīng)溫度對(duì)氫化反應(yīng)的影響2溫度/K不同時(shí)間碳酸鋰氫化的轉(zhuǎn)化率/%5min10min20min30min40min50min60min……表5-3CO2氣體流速對(duì)氫化反應(yīng)的影響CO2流速〔L/min不同時(shí)間碳酸鋰氫化的轉(zhuǎn)化率/%5min10min20min30min40min50min60min70min80min90min0.10.30.50.70.91.11.31.5表5-4攪拌速度對(duì)氫化反應(yīng)的影響攪拌速度〔r/min不同時(shí)間碳酸鋰氫化的轉(zhuǎn)化率/%5min10min20min30min40min50min60min70min80min90min150200250300350400表5-5反應(yīng)時(shí)間對(duì)氫化反應(yīng)的影響時(shí)間/mincLi+/g·L-1Li2CO3轉(zhuǎn)化率/%5102030405060表5-6固液比對(duì)氫化反應(yīng)的影響固液比不同氫化時(shí)間碳酸鋰的氫化轉(zhuǎn)化率/%5min10min20mi