Question

【題目】錳酸鋰(LiMn2O4)可作為鋰離子電池的正極材料，在工業上可利用軟錳礦漿(主要成分為MnO2，含少量Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2等雜質)吸收含硫煙氣(主要成分SO2)制備錳酸鋰，生產流程：

已知：①軟錳礦漿在吸收含硫煙氣的過程中酸性逐漸增強。

②在此流程中部分金屬陽離子生成氫氧化物沉淀的pH如表：

沉淀物	Fe(OH)3	Fe(OH)2	Al(OH)3	Mn(OH)2
開始沉淀	2.7	7.6	3.4	7.7
完全沉淀	3.7	9.6	4.7	9.8

(1)含硫煙氣在通入軟錳礦漿前需要先冷卻，冷卻的原因是____________________。

(2)濾液1中所含金屬陽離子有_____________(填離子符號)。

(3)在實際生產中，Li2CO3與MnO2按物質的量之比1∶4混合均勻加熱制取LiMn2O4，反應過程：

①升溫到515℃時，Li2CO3開始分解產生CO2和堿性氧化物A，寫出A的名稱________，此時比預計Li2CO3的分解溫度(723℃)低得多，可能原因是_______________；

②升溫到566℃時，MnO2開始分解產生另一種氣體X，X恰好與①中產生的CO2物質的量相等，同時得到固體B，固體B是______。

③升溫到720℃時，第三階段反應開始，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰。請寫出該階段反應的化學方程式_________________。

(4)由“濾液1”得到“濾液2”同時回收Al(OH)3的實驗方案如下：邊攪拌邊向濾液1中加入_____________，再加入NaOH溶液調節pH范圍為____________，過濾得到濾液2和濾渣，向濾渣中加入NaOH溶液pH≥12，攪拌、過濾，再向所得濾液中通入過量的CO2過濾、洗滌、低溫烘干得Al(OH)3。

(5)工業上，將Li2CO3粗品制備成高純Li2CO3的部分工藝：

a.將Li2CO3溶于鹽酸作電解槽的陽極液，LiOH溶液做陰極液，兩者用離子選擇透過膜隔開，用惰性電極電解。b.電解后向LiOH溶液中加入少量NH4HCO3溶液并共熱，過濾、烘干得高純Li2CO3。

①a中，陽極的電極反應式是__________，宜選用_____(“陽”或“陰”)離子交換膜。

②b中，生成Li2CO3反應的化學方程式是__________________。

Answer 1

【答案】提高含硫煙氣中SO2的吸收率 Mn2+、Al3+、Fe2+ 氧化鋰 MnO2對Li2CO3分解有催化作用 Mn2O3 2Li2O+4Mn2O34LiMn2O4 足量H2O2 4.7≤pH<7.7 2Cl- -2e-=Cl2↑ 陽 2LiOH+NH4HCO3Li2CO3+2H2O+NH3↑

【解析】

軟錳礦漿(主要成分為MnO2，含少量Fe2O3、FeO、Al2O3、SiO2)制備錳酸鋰，軟錳礦漿通入含二氧化硫的煙氣，二氧化硫溶于水生成亞硫酸，Fe2O3、FeO、Al2O3，都能溶于酸，得到相應的離子，同時SO2將得到的Fe3+還原為Fe2+，MnO2與SO2發生氧化還原反應，得到Mn2+，SiO2不溶于酸，濾渣1為SiO2，濾液1含Al3+、Mn2+、Fe2+，由沉淀的pH范圍知，Fe2+的沉淀與Mn2+離子的沉淀所需的pH接近，而Fe3+則相差很遠，故可以將Fe2+氧化成Fe3+而除雜，攪拌加入氫氧化鈉溶液至4.7≤pH<7.7，過濾得到濾液2和固體，向所得固體中加入氫氧化鈉溶液至pH≥12，攪拌過濾再向所得濾液中通入二氧化碳過濾洗滌，低溫烘干得到Al(OH)3，濾液2中加入氫氧化鈉溶液過濾得到Mn(OH)2，一定條件下得到MnO2，Li2CO3與MnO2按物質的量之比為1：4混合均勻加熱制取LiMn2O4，據此分析作答。

(1)含硫煙氣在通入軟錳礦漿前需要先冷卻，是由于降低溫度可提高含硫煙氣中SO2的吸收率；

(2)SO2溶于水得到H2SO3，H2SO3具有酸性，可溶解金屬氧化物Fe2O3、FeO、Al2O3，使它們轉化為相應的金屬陽離子，同時SO2具有還原性，會將得到的Fe3+還原為Fe2+，SO2與MnO2發生氧化還原反應，得到Mn2+，而SiO2是酸性氧化物，不溶于酸，所以濾渣1為SiO2，濾液1含Al3+、Mn2+、Fe2+；

(3)①升溫到515℃時，Li2CO3開始分解產生CO2和Li2O，故分解得到的堿性氧化物A的名稱是氧化鋰；此時比預計Li2CO3的分解溫度（723℃）低得多，說明MnO2對Li2CO3的分解有催化劑的作用；

②升溫到566℃時，MnO2開始分解產生另一種氣體X，根據元素在室溫下的存在狀態可知X為O2，X恰好與①中產生的CO2物質的量相等，同時得到固體B，1 mol Li2CO3分解產生1 mol CO2氣體，4 mol MnO2分解產生1 molO2，則根據元素守恒可知此過程發生的化學反應方程式4MnO22Mn2O3+O2↑，B為Mn2O3；

③升溫到720℃時，A、B反應，固體質量逐漸增加，當質量不再增加時，得到高純度的錳酸鋰。該發生的化學反應方程式為：2Li2O+4Mn2O34LiMn2O4；

(4)由于濾液1含Al3+、Mn2+、Fe2+，由于Mn2+、Fe2+形成沉淀的pH比較接近，所以由“濾液1”得到“濾液2”同時回收Al(OH)3的實驗方案如下：邊攪拌邊向濾液1中加入足量H2O2，可以將Fe2+氧化為Fe3+，然后再加入NaOH溶液調節pH，使Al3+轉化Al(OH)3沉淀，而Mn2+仍然以離子形式存在于溶液，由于Fe3+完全沉淀的pH=3.7，Al3+完全沉淀的pH=4.7，而Mn2+開始形成Mn(OH)2沉淀的pH=7.7，所以調整溶液pH范圍為4.7≤pH<7.7，過濾得到濾液2和濾渣，濾渣中含有Al(OH)3、Fe(OH)3，向濾渣中加入NaOH溶液pH≥12，溶液顯堿性，Al(OH)3與堿反應轉化為NaAlO2，而Fe(OH)3不溶解，攪拌、過濾，再向所得濾液中通入過量的CO2，NaAlO2與CO2及水反應產生Al(OH)3沉淀，經過濾、洗滌、低溫烘干得Al(OH)3；

(5) 根據題給信息可知：

①a中是LiCl溶液，陽極上溶液中的Cl-失去電子，發生氧化反應，電極反應式是2Cl- -2e-=Cl2↑，溶液中陰離子不斷放電使陽離子濃度增大，為維持溶液電中性，宜選用陽離子交換膜；

②b中LiOH與NH4HCO3反應生成Li2CO3，反應的化學方程式為：2LiOH+NH4HCO3Li2CO3+2H2O+NH3↑。