无机锰氧化物吸附剂对油气田卤水中锂的吸附平衡研究及其机制解析

为解决锂资源高效回收难题，研究人员开发了基于MnO2?0.31H2O相的无机吸附剂，通过XRD、SEM表征及Langmuir模型优化，实现在pH 7.25卤水中32.42 mg/g的锂吸附容量，88.2%回收率及7472 cm3/g分配系数，为低浓度卤水锂提取提供免pH调节新方案。

　　

随着全球能源转型加速，锂作为锂离子电池的核心材料需求激增，但传统盐湖提锂存在高耗水、低选择性等问题。油气田卤水作为潜在锂资源，其低浓度（6-12 mg/L）和高杂质特性使得提取技术面临严峻挑战。现有吸附法往往需强酸/碱预处理，导致流程复杂、成本攀升。如何开发高效、免调节pH的吸附材料成为突破技术瓶颈的关键。

哈萨克斯坦Satbayev大学冶金与选矿研究所（Institute of Metallurgy and Ore Benefication, Satbayev University）的研究团队通过创新性合成锰氧化物吸附剂，系统研究了其对油气田卤水中锂的吸附平衡机制。研究人员采用三步法制备吸附剂：锰氧化物锂化、450°C煅烧和稀酸活化，通过X射线衍射（XRD）和扫描电镜（SEM）证实获得具有立方晶系的MnO₂?0.31H₂O相。该材料在pH 7.25的天然卤水中展现出32.42 mg/g的锂吸附容量，经5次循环后仍保持92%回收率，相关成果发表于《Results in Engineering》。

关键技术方法包括：1）静态吸附实验（m/V=1:1000，35°C，24h）；2）XRD与SEM表征材料结构；3）Langmuir、Freundlich等模型拟合吸附等温线；4）Dubinin-Radushkevich模型解析吸附机制；5）ICP-OES测定金属离子浓度。

3.1 吸附剂组成与吸附特性

XRD显示吸附剂主相为保留立方结构的MnO₂?0.31H₂O，SEM观察到20-60 μm的团聚体。WDS分析证实Mn:O原子比为1:2.21，符合Mn空位结构。对比实验表明，以Mn₂O₃/MnO混合物为前驱体制备的2号吸附剂性能最优。

3.2 吸附条件优化

在m/V=1:1000、35°C、24h条件下实现88.2%锂回收率，分布系数达7472 cm³/g。温度升高导致H⁺竞争吸附，而延长时间促进离子交换平衡。

3.3 吸附动力学

伪二级动力学模型（R²=0.9627）表明化学吸附控速，涉及Li⁺与吸附剂中H⁺的离子交换。

3.4 吸附平衡

修正Langmuir模型（R²=0.9851）最吻合实验数据，最大吸附量33.22 mg/g。Dubinin-Radushkevich模型计算吸附能12.195 kJ/mol，证实离子交换机制占主导。

3.5 循环性能

5次吸附-解吸循环显示92%稳定回收率，吸附剂损失<7.5%，验证其工业应用潜力。

该研究创新性地揭示了Mn空位结构对锂的选择性捕获机制，提出的免pH调节工艺可简化传统卤水提锂流程。吸附剂在近中性环境的高效性（pH 6.8-7.3）尤其适用于高镁锂比卤水处理。未来通过颗粒化改性，该材料在动态吸附系统中将展现更大应用价值，为非常规锂资源开发提供新思路。