一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料及其制备方法和应用技术

本发明专利技术属于资源回收电化学技术领域，具体公开了一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料及其制备方法和应用。所述制备方法包括以下步骤：S1.将除磷效果在10～20mg/L的聚磷菌接种至LB液体培养基，在摇床中于25℃，120r/min条件下培养10～12h；S2.向培养液中加入磷酸氢锂，继续培养22～26h；S3.向培养液中加入硫酸亚铁，继续培养24～36h；S4.向培养液中加入氯化锂，继续培养22～26h；S5.离心除去培养液后烘干样品，然后在氮气氛围下，750～850℃退火3～5h。将聚磷菌合成磷酸铁锂材料和活性炭制成双电极，利用杂化电容去离子技术，基于法拉第电容及双电层电容回收水体中的氯化锂，能够实现锂的高效、高吸附量、低成本、低能耗、无污染回收，并且能够进行循环再生利用。能够进行循环再生利用。能够进行循环再生利用。

【技术实现步骤摘要】
一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料及其制备方法和应用


[0001]本专利技术属于资源回收电化学
，具体涉及一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料及其制备方法和应用。

技术介绍

[0002]在全球可持续发展的清洁能源的推动下，锂的需求一直在急剧增长，使得锂的可用性成为一个备受关注的问题。锂主要储存在含锂矿石(如鳞片岩和闪锌矿)和水基锂资源中，其中总锂储量的三分之二分布在盐水和海水中。到目前为止，人们已经探索了各种技术来从盐水和海水中提取锂，如沉淀、溶剂萃取、锂离子筛吸附和基于膜的技术，这些技术都有其缺陷，或提取率低，或需要使用大量酸而造成环境问题，或耗时久，或成本高。因此，迫切需要开发出一种回收率高、环境友好、高效且低成本的锂提取方法。
[0003]电容去离子技术(CDI)是一种新型盐水淡化技术，是在多孔电极两端加外部电压，使阴阳离子在静电场的作用下向带相反电性的电极移动，最后被吸附在电极的微孔内而达到离子回收目的，实现盐水淡化；工作一段时间后，多孔电极的吸附达到饱和，此时通过短接或者反接电源，吸附在多孔电极的盐离子释放到溶液中，实现多孔电极的再生。以电容去离子技术从水体中回收锂，能够同时解决前述技术存在的耗时久、成本高以及环境污染的问题，但仍旧存在缺陷：现有的多孔电极普遍采用碳基电极(多为活性炭)，其对锂离子的吸附量不大，回收率难以提升。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术的目的之一是提供一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，工艺简单，操作简便，能够制备出可大量吸附锂离子的电极材料基材。<br/>[0005]为达到上述目的，本专利技术采用的具体技术方案如下：
[0006]一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，包括以下步骤：
[0007]S1.将除磷效果在10～20mg/L的聚磷菌接种至LB液体培养基，在摇床中于25℃，120r/min条件下培养10～12h；
[0008]S2.向培养液中加入磷酸氢锂，继续培养22～26h；
[0009]S3.向培养液中加入硫酸亚铁，继续培养24～36h；
[0010]S4.向培养液中加入氯化锂，继续培养22～26h；
[0011]S5.离心去除培养液后烘干样品，然后在氮气氛围下，750～850℃退火3～5h。
[0012]为了提高CDI技术对锂离子的回收水平，本专利技术从优化电极材料入手，选择磷酸铁锂来替代现有技术的活性炭，然而常规的磷酸铁锂无论是电化学性能还是制备方法都有较大缺陷。具体的，现有的磷酸铁锂基本为化学合成，合成方法主要有高温固相法、水热法、碳热还原法等，工艺复杂，易造成污染；现有的磷酸铁锂受到锂离子扩散动力学缓慢及其固有的低电子电导率的限制，难以高效回收锂离子，此外磷酸铁锂循环后易发生体积膨胀，影响使用寿命和电化学性能。
[0013]因此，本专利技术由自主开发出的一种生物制备方法，制得了聚磷菌合成磷酸铁锂材料。该生物制备方法工艺简便，操作简单，环保安全且成本低，与现有的化学合成法相比，优势显著。按本专利技术方法制得的聚磷菌合成磷酸铁锂材料克服了常规磷酸铁锂的缺陷，聚磷菌衍生碳的存在有效提高了其导电性，同时缓解了磷酸铁锂的体积膨胀，电化学性能大大提升。利用聚磷菌合成磷酸铁锂材料制作的成电极，相较传统的碳电极，吸附速率更快，吸附容量更高，在锂离子回收领域具有良好的应用前景。
[0014]优选的，步骤S1中，所述聚磷菌通过以下方法获得：a.活性污泥的处理：取常规A
‑
A
‑
O脱氮除磷水处理工艺好氧段(即厌氧缺氧好氧工艺好氧段)的活性污泥，离心获得活性污泥样品，除去泥沙等杂质备用；b.驯化：在50～500mg/L范围内设置不同磷浓度梯度的培养基，按5～15％的接种量将活性污泥接种至梯度液体培养基中，于25℃，120r/min条件下培养24～48h；c.离心分离：选择磷去除效果达到10～20mg/L的菌体培养液，离心清洗获得聚磷菌体备用。经过该方法获得的菌种，具有较强的磷吸收能力。
[0015]优选的，所述磷酸氢锂在培养液中的添加量为0.02～0.05M，所述硫酸亚铁在培养液中的添加量为0.02～0.05M，所述氯化锂在培养液中的添加量为0.16～0.2M。进一步的，所述磷酸氢锂、硫酸亚铁和氯化锂的摩尔比为1：1：8。本专利技术磷源、铁源、锂源的种类和用量要严格按照要求添加：必须是磷酸氢锂、硫酸亚铁、氯化锂三种，若使用其他物质或者添加其他物质，难以合成目标材料。而低于该摩尔比，聚磷菌种吸附物质量较少，较难合成产品，高于该摩尔比，影响菌种生长繁殖，聚磷菌种存在生物量偏低的情况，无法合成产物。
[0016]优选的，步骤S1中，培养时间为12h；步骤S2和S4中，培养时间为24h；步骤S5中，样品在氮气氛围下，800℃退火4h。
[0017]本专利技术的目的之二是提供采用上述制备方法制得的聚磷菌合成磷酸铁锂材料。
[0018]本专利技术的目的之三是提供采用上述制备方法制得的聚磷菌合成磷酸铁锂材料在锂离子回收中的应用，包括以下步骤：
[0019](1)聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极的制备：将聚磷菌合成磷酸铁锂材料研磨至微米级粉末，然后与PVDF、乙炔黑混合，再加入NMP搅拌6～12h得到混匀的浆液，将浆液抹于石墨纸集电极上，烘干得到聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极；
[0020](2)活性炭电极的制备：将活性炭与PVDF、乙炔黑混合，再加入NMP搅拌6～12h得到混匀的浆液，将浆液抹于石墨纸集电极上，烘干得到活性炭电极；
[0021](3)杂化电容去离子装置的组装：按照固定板、硅胶垫片、集电极、聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极、有机玻璃集水槽、隔膜、阴离子交换膜、活性炭电极、集电极、硅胶垫片、固定板的顺序依次组装在装置中；其中，有机玻璃集水槽为中空的板，开有进出水口，从而达到循环进水的目的；
[0022](4)锂离子回收：杂化电容去离子装置组装完毕后，将其接入锂离子回收系统中，回收系统包括氯化锂集水池、蠕动泵、杂化电容去离子装置、电导率仪；工作时，蠕动泵将氯化锂盐水从氯化锂集水池中输入通电的杂化电容去离子装置，吸附时，聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极接负极吸附锂离子，活性炭电极接正极吸附氯离子，吸附后，循环回到氯化锂集水池测试电导率；
[0023](5)电极再生：反接电源即可实现脱附，操作与吸附一致。
[0024]与现有双碳基电容去离子技术不同，本专利技术采用了聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极
和活性炭电极，利用杂化电容去离子技术来进行水体中的锂离子回收，回收率和回收效率均得到有效提升，能耗更低。所述杂化电容去离子回收原理如下：微生物合成的磷酸铁锂复合材料在外接电压的条件下，其晶格内的锂离子脱出，反接电压则溶液中的锂离子可以重新嵌入晶格，这样通过发生法拉第反应进行嵌锂脱锂，从而回收水体中的锂离子；而氯离子在外接电压的作用下，向活性碳电极移动，在其表面形成双电层被储存，反接电压时，双电层消失，氯离子从电极上脱附出来；由此，达到材料吸附脱附循环再生的过程。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：S1.将除磷效果在10～20mg/L的聚磷菌接种至LB液体培养基，在摇床中于25℃，120r/min条件下培养10～12h；S2.向培养液中加入磷酸氢锂，继续培养22～26h；S3.向培养液中加入硫酸亚铁，继续培养24～36h；S4.向培养液中加入氯化锂，继续培养22～26h；S5.离心除去培养液后烘干样品，然后在氮气氛围下，750～850℃退火3～5h。2.根据权利要求1所述的聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于：步骤S1中，所述聚磷菌通过以下方法获得：a.活性污泥的处理：取常规A
‑
A
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O脱氮除磷水处理工艺好氧段的活性污泥，离心获得活性污泥样品，除去杂质备用；b.驯化：在50～500mg/L范围内设置不同磷浓度梯度的培养基，按5～15％的接种量将活性污泥接种至梯度液体培养基中，于25℃，120r/min条件下培养24～48h；c.离心分离：选择磷去除效果达到10～20mg/L的菌体培养液，离心清洗获得聚磷菌体备用。3.根据权利要求1所述的聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于：所述磷酸氢锂在培养液中的添加量为0.02～0.05M，所述硫酸亚铁在培养液中的添加量为0.02～0.05M，所述氯化锂在培养液中的添加量为0.16～0.2M。4.根据权利要求4所述的聚磷菌合成磷酸铁锂材料的制备方法，其特征在于：所述磷酸氢锂、硫酸亚铁和氯化锂的摩尔比为1：1：8。5.权利要求1
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4任一所述的制备方法制得的聚磷菌合成磷酸铁锂材料。6.权利要求1
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4任一所述的制备方法制得的聚磷菌合成磷酸铁锂材料在锂离子回收中的应用，其特征在于：包括以下步骤：(1)聚磷菌合成磷酸铁锂材料电极的制备：将聚磷菌合成磷酸铁锂材料研磨至微米级粉末，然...

【专利技术属性】
技术研发人员：马杰，袁建华，
申请(专利权)人：同济大学，
类型：发明
国别省市：