1、毕业设计开题报告 化学工程与工艺 新型核壳结构的 Fe3O4/MnCO3+Li2CO3 纳米粒子的制备 一、 综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 锂是 1817 年由著名化学家贝齐里乌斯的学生阿尔费特逊在分析一种矿石的成分时发现的 ,它是自然界中最轻的银白色金属 ,被公认为“推动世界进步的能源金属”。锂及其盐类是国民经济和国防建设中具有重要意义的战略物资 ,也是与人们生活息息相关的新型绿色能源材料 ,广泛用于玻璃、陶瓷、润滑剂、制冷剂、冶金、制药和化学试剂等行业。近年来 ,在化学电源领域 ,锂离子电池已成为世 界范围的研究热潮 ,据预测它有希望成为取代传统矿物燃料作为大型设备的动力
2、源 :在核聚变发电研究领域 ,锂有“ 21 世纪新能源”之称 ,极可能是将来锂的最大应用领域 ;在新材料领域 ,铝镁锂二元、三元合金作为未来的航空航天材料尤为引入注目。近 10 年来 ,锂的国际需求量以每年 7 % 11 %的速度持续增长 ,2002 年世界锂的消耗量约为 20 万 t 。然而 ,世界上陆地锂资源总量 (主要为矿石锂资源和盐湖锂资源 ) 约为 1700 万 t (折金属锂 ),远不能满足锂的远景市场需要。相比之下海水锂资源非常巨大 ,约为 2600 亿 t。自然界 中锂元素主要富存于伟晶岩、盐湖卤水、海水、温泉水等矿床 ,不同锂矿床的组分和性质差别很大。现已开采利用的锂资源主要
3、是伟晶岩 (包括锂辉石、透锂长石、锂磷铝石和锂霞石等 ) 和盐湖 ,特别是以近年发展起来的盐湖锂资源为主。锂及其化合物以其特有的优良性能在众多领域表现出重要的作用 ,被人们重视的程度越来越高。锂已成为现代尖端科学技术、现代工农业和国防建设所需的主要材料之一 ,并进入人类生活的方方面面。锂的近二十年世界产量情况逐年上升 ,20年内翻了一番。国内锂的消费量也呈逐年上升趋势 ,目前年用量在 5000t 以上。锂除了已广 泛用于传统领域 ,目前的应用已扩展到一些新的领域 ,而且这些新的应用将成为未来对锂需求的主体。预计到本世纪中期 ,伴随着供电动汽车作为能源的车辆电池 (锂离子电池 ) 和储备电池的发
4、展、铝镁锂合金在飞机制造工业中大量使用以及可控热核反应进入实用阶段 ,人类社会对锂的需求将有大幅度的增长。因此 ,如果我们当前不寻求开发利用新的锂资源 ,未来势必会因锂资源短缺而对国民经济的可持续发展产生不良影响。 近些年来国内外科研工作者开始探索海水提锂的技术 ,并取得了一定的进展。随着人类对锂需求的不断扩大 ,未来锂资源的供给必将受到影响。因此 ,人类势必会把目光投向蕴藏丰富矿产资源的浩瀚海洋。海水中的锂资源储量约 2600 亿 t ,是陆地锂资源总量的一万余倍。国外日本、美国等工业发达国家已从事多年海水提锂的研究 ,并取得了一定进展 :国内也有一部分科研人员从事该领域的研究。为了避免在海
5、水提锂方面我国再次发生类似于盐湖卤水提锂滞后的情况 ,以及满足未来我国及世界对锂的强劲需求 ,在海水提锂上我们应该给予高度重视 ,尽早着手于该领域的研究并不断加大力度。目前 ,在海水提锂研究中主要应用溶剂萃取法和吸附剂法。由于海水中锂浓度仅为 0. 17mg L - 1 ,因此从低锂浓度海水中提锂 ,吸附剂法被认为是最有前途的海水提锂方法。鉴于锂及其化合物的特殊性能和应用价值 ,以及现已开发的锂资源远不能满足未来社会对锂的强劲需求 ,所以从水提取 (回收 ) 锂必将成为人们关注和研究的重要领域。综合考虑 ,吸附剂法提锂将更具有发展前景。然而 ,到目前为止 ,一方面离子筛的实际吸附量与理论吸附量
6、还有较大差距 , 如 :Li1. 33Mn1. 67O4 的理论吸附量为 56. 0mg g,实际吸附量到目前最高为 25. 5mg g实际吸附量与理论吸附量相差一倍之多 ;另一方面合成出性能不错的吸附剂基本都为粉末状物 ,由于其渗透性较差 ,如果不解决造粒成型几乎谈不上工业近些年 ,虽然一些研究人员在合成过程中通过添加某种成型剂 (多为有机物 ,如 :DMF、 PVC) 而使产物形态为粒状 ,其渗透性明显增强 ,但从试验结果发现 ,该粒状吸附剂的吸附性能有很大程度的下降 ;同时 ,由于添加的多为有机物 ,亲水性差 ,从而导致交换速度降低、颗粒易碎、溶损率大。因此 ,在研究离子筛效应机理、提高
7、粉状吸附剂实际吸附量的同时 ,合成吸附性能强的高强度粒状吸附剂 ,进一步开发规模化提取工艺装置乃当务之急。 中国既是陆地大国，也是沿海大国，社会和经济发展将越来越多地 依赖海洋。在中华人民共和国循环经济促进法、国民经济和社会发展 “十一五 “规划纲要、国家中长期科学和技术发展规划纲要 (2006-2020)、国家海洋事业发展规划纲要、国务院关于加快发展循环经济的若干意见以及国务院关于印发节能减排综合性工作方案的通知等文件中，均将海水利用问题列为重要内容。在中国 21 世纪议程 中国 21 世纪人口、环境与发展白皮书中，确立了未来要实施可持续发展战略，并把 “海洋资源的可持续开发与保护 ”作为重
8、要的行动方案之一，阐明了基本战略、战略目标、基本对策，以及主 要行动领域。继此之后，我国先后制定了海水利用专项规划、海水利用标准发展计划、全国科技兴海规划纲要等重要的政策，为科学发展指明了方向。海水利用专项规划明确对海水利用的三个领域指出了明确的方向和规划 ，其中第 三 就 是海水化学资源的综合利用，即从海水中提取化学元素、化学品及深加工等。 为课题的研究提供了法律依据。 本人所研究的课题在海岛舟山，与大陆分隔，大中型海岛较多， 10 年暑假至今，本人已经在指导老师的带领下，做了大量的纳米磁流体制备以及用 MnCO3,Li2CO3 的包覆实验，实验证明， Fe3O4/MnCO3+Li2CO3
9、的核壳结构纳米粒子具有提锂的良好性能及优越的磁性能。且有望解决国际上对于锂离子筛交换法提锂是遇到的溶损率高，造粒难，提锂效率不高的问题。加之，有便利的海水获取途径，做此实验课题可行性很高。基于这个原因，本人选此课题作为研究方向。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 1. Fe3O4/MnCO3+Li2CO3 包覆技术 在了解国内外表面包覆技术流程工艺后，要解决的是怎么将两种物质同时均匀地包覆在四氧化三铁的表面，解决包覆问题中均匀分布的关键问题。 2.核壳结构的纳米粒度以及磁强度之间的关 系 纳米材料颗粒小，比表面大，反应效率高，但研究表明， 磁流体粒子在小于 16个纳米级时 ，颗粒磁性明显
10、减弱甚至消失， 但粒子小的同时能大大提高反应效率， 因此，要寻找这两者间的最佳关系。 3. 大规模、工业化推广使用此吸附剂的问题研究 海水腐蚀性强， 研制的 Fe3O4/MnCO3+Li2CO3 新型粒子是纳米材料，需循环使用，需要解决 锰离子的溶损率，尤其是碱液中的溶损率；在提锂过程中的提锂的效率问题，缩短提锂的周期时间；是双型离子筛的反复使用寿命问题。主要解决方法就是尽可能地提高核壳结构的 Fe3O4/MnCO3+Li2CO3 的包覆质量。 三、研究步骤、方法及措施： 1.通过查找资料，分析资料确定选题范围及论文题目。 2.通过指导老师指导，结合调研和资料整理分析、撰写开题报告、外文翻译和
11、文献综述。 3.根据开题报告写作思路草拟论文提纲。 4.根据论文提纲进一步查找资料，撰写论文初稿。 5.根据论文初稿，收集的资料，修改成稿。 四、参考文献 1胡克源 ,自卤水中直接提取铿盐的新工艺方法 , 1965年 , 中国科学院化学研究所； 2沈祥木 ,离子筛法从卤水中直接提锂试验报告， 1994 年中国学术期刊电子出版社； 3刘元会 ,邓天龙，国内外从盐湖卤水中提锂工艺技术研究进展， 2006 年， 中国科学院青海盐湖研究所 ,西宁 810008 ;中国科学院研究生院 ,北京 100039； 4邹涛 ,强磁性 Fe3O4纳米粒子的制备及其性能表征 , 北京化工大学可控化学反应科学与技术基
12、础教育部重点实验室， 2002年 12月，精细化工第 19卷第 12期； 5向阳 ,微通道反应器中反应沉淀过程的工艺研究， 2009年 6月，高校化学工程学报第23卷第 3期； 6李崇 ,撞击流反应器微观混合性能的研究 ,2009年，北京化工大学学报 (自然科学版 )，第 36卷第 6期； 7李栋，郭学益 , 锰氧化物锂离子筛研究进展 ,2007年 2月 , 中国锰业第 25卷第 1期 ; 8Lu Wang, Correlation between Li+ adsorption capacity and the preparation conditions of spinel lithium
13、manganese precursor, Solid State Ionics 177 (2006) 1421 1428; 9 Kenta Ooi, Yoshitaka Miyai, and Jitsuo Sakakihara. Mechanism of Li+ Insertion in Spinel-Type Manganese Oxide. Redox and Ion-Exchange Reactions， December 3, 1990， Langmuir 1991,7,1167-1171； 10 Qi Feng,Yoshitaka Miyai, Hirofumi Kanoh, and
14、 Kenta Ooi, Li+ Extraction/Insertion with Spinel-Type Lithium Manganese Oxides. Characterization of Redox-Type and Ion-Exchange-Type Sites,Langmuir 1992,8,1861-1867. 五、研究工作进度： 1.2010 年 11 月 25 日，接受指导教师下达的任务； 2.2010 年 12 月 27 2011 年 1 月 7 日，根据题目查找、收集资料，分析整理资料，完成外文翻译、文献综述和开题报告； 3.2011 年 2 月 21 日 2011 年 2 月 28 日，调研、整理资料，撰写毕业论文（设计）提纲； 4.2011 年 2 月 28 日 2011 年 3 月 23 日，根据提纲完成初稿； 5.2011 年 3 月 24 日 2011 年 4 月 16 日，修改初稿； 6.2011 年 4 月 17 日 2011 年 4 月 25 日，修改成稿，打印毕业论文（设计），上交所有材料； 7.2011 年 5 月 3 日 2011 年 5 月 4 日 进行毕业论文（设计）答辩。
