導語：面對鋰電池產(chǎn)業(yè)爆發(fā)式增長帶來的N-甲基吡咯烷酮(NMP)廢液處理難題，蘭州理工大學石油化工學院團隊在《化工進展》發(fā)表重要研究論文，系統(tǒng)探索了離子交換樹脂法深度脫除NMP廢液中金屬離子雜質(zhì)的技術(shù)路徑。

　　該研究篩選出性能優(yōu)異的Tulsimer? T-42H樹脂，并通過Box-Behnken響應(yīng)面法優(yōu)化工藝條件，為實現(xiàn)電子級NMP的低能耗回收提供了科學依據(jù)。

　　背景：NMP回收——鋰電產(chǎn)業(yè)綠色發(fā)展的關(guān)鍵挑戰(zhàn)

　　NMP作為鋰電池電極漿料制備的核心溶劑，具有低毒、高沸點、強溶解性等優(yōu)勢。然而，涂布過程中NMP的揮發(fā)形成了需處理的廢液。隨著鋰電池產(chǎn)能增長，構(gòu)建NMP循環(huán)利用體系對降低資源消耗和環(huán)境污染具有重要意義。

　　核心瓶頸在于金屬離子深度脫除： NMP純度，尤其是其中殘留的微量金屬離子(如Cu2?、Fe3?、Zn2?)，直接影響電池涂布質(zhì)量和電化學性能。傳統(tǒng)依賴的減壓精餾技術(shù)雖能提純，但存在顯著局限：

　　高能耗： 持續(xù)加熱過程能耗巨大。

　　溶劑變性風險： 高溫可能引發(fā)NMP分解或聚合。

　　低濃度離子去除效率有限： 對廢液中痕量金屬離子的脫除能力不足。

　　因此，開發(fā)高效、節(jié)能、能深度去除多種痕量金屬離子的新技術(shù)，是提升NMP回收品質(zhì)、保障電池性能的迫切需求。

　　創(chuàng)新探索：離子交換樹脂法的系統(tǒng)研究

　　研究團隊創(chuàng)新性地將目光投向離子交換樹脂技術(shù)。該技術(shù)利用樹脂功能基團(如磺酸基-SO?H)與溶液中金屬陽離子的置換反應(yīng)實現(xiàn)選擇性吸附，并可通過再生實現(xiàn)循環(huán)利用。其應(yīng)用于NMP廢液凈化的潛在優(yōu)勢顯著：

　　低能耗潛力： 常溫常壓操作，大幅降低能耗。

　　規(guī)避熱變性風險： 避免高溫對NMP的潛在破壞。

　　深度凈化潛力： 特別適用于低濃度離子的高效去除。

　　本研究旨在通過系統(tǒng)的實驗篩選和工藝優(yōu)化，驗證該技術(shù)在NMP廢液金屬離子深度脫除中的可行性與效能。

　　核心研究發(fā)現(xiàn)：優(yōu)選樹脂與卓越性能

　　研究團隊對六種大孔型陽離子交換樹脂(D001、強酸001x7、732、D401、D751、Tulsimer? T-42H)進行了詳盡的靜態(tài)吸附性能評估。

　　性能對比： 在相同條件下處理某新能源電池企業(yè)提供的NMP廢液(初始電導率3.58 μS/cm)，不同樹脂表現(xiàn)出顯著差異。D001、強酸001x7、732、T-42H等磺酸基樹脂效果較好，其中Tulsimer? T-42H樹脂表現(xiàn)突出。

(圖片清晰展示了T-42H樹脂在降低電導率方面的卓越表現(xiàn))

　　數(shù)據(jù)驗證： ICP-OES檢測證實，T-42H樹脂對廢液中主要金屬離子的去除率驚人：

　　Cu2?： 99.86% (殘留 0.0006 mg/L)

　　Fe3?： 99.83% (殘留 0.0049 mg/L)

　　Zn2?： 99.78% (殘留 0.0011 mg/L)

　　純度達標： 處理后廢液電導率降至0.98 μS/cm，遠低于高純度分析純NMP的標準(1.13 μS/cm)，能夠滿足電子級NMP溶劑對金屬離子的純度要求。

　　工藝優(yōu)化：響應(yīng)面法精準導航

　　確定T-42H為優(yōu)選樹脂后，研究團隊采用Box-Behnken響應(yīng)面設(shè)計，深入研究了樹脂投加量(A)、反應(yīng)溫度(B)、攪拌速率(C)三個關(guān)鍵因素對吸附效果(以電導率為響應(yīng)值Y)的影響及交互作用。

　　模型構(gòu)建： 建立了高度顯著的二次回歸模型(F值=70.44, P<0.0001, R2=0.9891)，精準預測了工藝效果。

　　因素影響： 方差分析表明，樹脂投加量(A)影響最大(P<0.0001)，溫度(B)次之(P<0.05)，轉(zhuǎn)速(C)影響相對較小。因素重要性排序：A > B > C。

　　交互作用： 響應(yīng)面圖清晰揭示了AB(樹脂用量-溫度)、AC(樹脂用量-轉(zhuǎn)速)之間存在顯著的交互效應(yīng)。

(圖片直觀展示了各因素及其交互作用對目標響應(yīng)值的影響)

　　最優(yōu)參數(shù)： 模型預測并經(jīng)實驗驗證，在樹脂投加量10g (處理200mL廢液)、反應(yīng)溫度45°C、攪拌速率200 r/min條件下，電導率~0.98 μS/cm。

　　再生性能與經(jīng)濟性評估

　　技術(shù)的可持續(xù)性至關(guān)重要。研究團隊對吸附飽和的T-42H樹脂進行了再生循環(huán)實驗：

　　再生方法： 采用1 mol/L HCl溶液進行再生。

　　循環(huán)表現(xiàn)： 如圖所示，樹脂經(jīng)歷4次吸附-再生循環(huán)后，性能雖有輕微下降(第4次處理后電導率升至1.15 μS/cm)，但前3次循環(huán)后，處理液的電導率穩(wěn)定保持在1.13 μS/cm以下。

(圖片證明了T-42H樹脂良好的重復使用性)

　　結(jié)論： T-42H樹脂展現(xiàn)出良好的重復使用性，為其實際應(yīng)用的經(jīng)濟性提供了有力支持。

　　機理闡釋：離子交換過程分析

　　通過傅里葉變換紅外光譜(FT-IR)分析，研究團隊深入闡釋了吸附與再生機理：

　　吸附過程： 樹脂磺酸基團(-SO?H)上的H?與溶液中的金屬陽離子(Cu2?、Fe3?、Zn2?)發(fā)生離子交換，光譜中出現(xiàn)的金屬-氧(M-O)鍵特征峰(~424-444 cm?1)證實了配位作用。

　　再生過程： 高濃度H?(來自HCl)將吸附的金屬離子置換下來，使樹脂恢復為H?型，磺酸基團特征峰恢復，實現(xiàn)再生。

FT-IR譜圖變化為離子交換機理提供了直接證據(jù)

　　研究價值與應(yīng)用前景

　　蘭州理工大學的這項系統(tǒng)研究具有重要的科學價值和應(yīng)用潛力：

　　技術(shù)可行性驗證： 系統(tǒng)驗證了特定離子交換樹脂(T-42H)在深度脫除NMP廢液中多種痕量金屬離子方面的卓越效能(去除率>99.7%)。

　　工藝優(yōu)化范式： 成功應(yīng)用Box-Behnken響應(yīng)面法，為復雜多因素體系的工藝優(yōu)化提供了高效、精準的研究范例。

　　潛在優(yōu)勢顯著： 相較于高能耗精餾法，該技術(shù)路線在低能耗(常溫操作)、高純度(達電子級標準)、操作安全(規(guī)避高溫風險)和可持續(xù)性(樹脂可循環(huán))方面展現(xiàn)出巨大潛力。

　　推動綠色循環(huán)： 為鋰電池產(chǎn)業(yè)構(gòu)建低成本、高效率、環(huán)境友好的NMP廢液回收-再生-回用閉環(huán)體系提供了強有力的技術(shù)支撐選項，契合國家“雙碳”戰(zhàn)略目標。

　　劉麗娟、王貴斌、張棟強研究團隊在《化工進展》發(fā)表的這項研究，通過嚴謹?shù)目茖W實驗和先進的優(yōu)化方法，充分證明了離子交換樹脂法在深度凈化鋰電池NMP廢液、高效脫除多種痕量金屬離子雜質(zhì)方面的技術(shù)可行性與顯著優(yōu)勢。

　　該研究不僅篩選出高性能樹脂、優(yōu)化了關(guān)鍵工藝參數(shù)，還闡釋了作用機理并驗證了樹脂的再生性能。這些研究成果為開發(fā)下一代低能耗、高效率的NMP回收技術(shù)奠定了堅實的科學基礎(chǔ)，為鋰電池產(chǎn)業(yè)的綠色、低碳、可持續(xù)發(fā)展注入了新的科技動力。

　　未來研究可進一步聚焦于動態(tài)柱實驗、長期穩(wěn)定性考察及中試放大，推動該技術(shù)向產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用邁進。

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