Question

以废旧磷酸亚铁锂正极材料(主要成分为LiFePO₄，含炭黑、铝等杂质)为原料可制备LiOH溶液和FePO₄。

(1)“除铝”时反应的离子方程式为______________________________。

(2)试从沉淀溶解平衡移动的角度解释“浸取时加入H₂O₂、稀盐酸”可促进LiFePO₄溶解的原因：______。

(3)“浸取”所得滤液中，磷元素的存在形式主要是________(填字母)。

a. PO 　　　　　b. H₃PO₄　　　　　　c. H₂PO

(4)“沉铁”时铁、磷的沉淀率随溶液pH的变化如图1所示。pH＞2.5后磷元素的沉淀率逐渐下降，原因是_____________________。

(5)“电解”制备LiOH的原理如图2所示，装置中使用阳离子交换膜将电解槽隔成阳极室和阴极室的目的是________________________________________。

(6)LiOH和(NH₄)₂Fe(SO₄)₂、H₃PO₄反应得到LiFePO₄、NH₄HSO₄。写出该反应的化学方程式：__________________。

Answer

2Al＋2H2O＋2OH－=2AlO＋3H2↑ H2O2将Fe2＋氧化，H＋与PO 结合，溶液中c(Fe2＋)和c(PO)减小，促进LiFePO4溶解平衡正向移动 c pH＞2.5后，部分铁元素以Fe(OH)3形式存在，降低了磷元素的沉淀率 防止得到的LiOH不纯，且确保了工业生产的安全(以防H2、Cl2混合爆炸) (NH4)2Fe(SO4)2＋LiOH＋H3PO4=LiFePO4↓＋2NH4HSO4＋H2O

【解析】

废旧磷酸亚铁锂正极材料(主要成分为LiFePO4，含炭黑、铝等杂质)先与NaOH溶液反应，铝转化为偏铝酸钠进入溶液，过滤后用H2O2、稀盐酸浸取滤渣，LiFePO4反应溶解，亚铁离子被氧化，PO和氢离子反应生成H2PO，所以溶液主要有Li+、Fe3+、H2PO、Cl－等，滤渣为碳；加入碳酸钠溶液与H2PO反应生成二氧化碳和PO，继而得到FePO4沉淀；过滤后经系列处理得到LiCl溶液，电解得到LiOH溶液。

(1)除铝反应为铝单质和NaOH反应生成偏铝酸钠的反应，离子方程式为2Al＋2H2O＋2OH－=2AlO＋3H2↑；

(2)H2O2将Fe2＋氧化，H＋与PO 结合，溶液中c(Fe2＋)和c(PO)减小，促进LiFePO4溶解平衡正向移动；

(3)浸取时加入稀盐酸，H＋与PO 结合，磷酸为三元中强酸，所以此时磷元素的主要存在形式为H2PO，所以选c；

(4)pH>2.5时溶液中氢氧根浓度较大，部分铁元素以Fe(OH)3形式存在，降低了磷元素的沉淀率；

(5)电解过程中阳极氯离子放电会产生氯气，氯气可以LiOH溶液反应，且与阴极产生的氢气混合容易爆炸，阳离子交换膜将电解槽隔成阳极室和阴极室可以防止得到的LiOH不纯，且确保了工业生产的安全(以防H2、Cl2混合爆炸)；

(6)已知部分反应物和生成物，根据元素守恒可得方程式为(NH4)2Fe(SO4)2＋LiOH＋H3PO4=LiFePO4↓＋2NH4HSO4＋H2O。