Question

锰酸锂(LiMn₂O₄)可作为锂离子电池的正极材料，在工业上可利用软锰矿浆（主要成分为MnO₂，含少量Fe₂O₃、FeO、Al₂O₃、SiO₂等杂质）吸收含硫烟气（主要成分SO₂）制备锰酸锂，生产流程如下：

已知：①软锰矿浆在吸收含硫烟气的过程中酸性逐渐增强。

②在此流程中部分金属阳离子生成氢氧化物沉淀的pH如下表：

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

（1）已知：SO₂的吸收率与温度及烟气流速的关系如图。

为提高含硫烟气中SO₂的吸收率，可以采取的措施________________。

（2）滤液1中所含金属阳离子有Mn²⁺、_____________（填离子符号）。

（3）在实际生产中，Li₂CO₃与MnO₂按物质的量之比为1∶4混合均匀加热制取LiMn₂O₄。

①升温到515 ℃时，Li₂CO₃开始分解产生CO₂，同时生成固体A，此时比预计Li₂CO₃的分解温度(723℃)低得多，可能原因是_________________。

②升温到566 ℃时，MnO₂开始分解产生另一种气体X，X恰好与①中产生的CO₂物质的量相等，同时得到固体B。请写出此过程发生的化学反应方程式_________________。

③升温到720 ℃时，A、B反应，固体质量逐渐增加，当质量不再增加时，得到高纯度的锰酸锂。请写出发生的化学反应方程式_________________。

（4）请补充完整由“滤液1”得到“滤液2”和Al(OH)₃的实验方案[Al(OH)₃在pH≥12时溶解]：边搅拌边向滤液1中________________。（实验中须用到的试剂有：NaOH溶液、H₂O₂、CO₂）

Answer

降低通入含硫烟气的温度（或减小通入含硫烟气的流速） Al3+ Fe2+ MnO2对Li2CO3分解有催化作用。 4 MnO2 2Mn2O3 +O2↑ 2Li2O + 4 Mn2O3 + O2 4 LiMn2O4 滴加足量H2O2，搅拌，加入NaOH溶液至4.7≤pH＜7.7，过滤得滤液2和固体。向所得固体中加入NaOH溶液至pH≥12，搅拌、过滤，再向所得滤液中通入过量的CO2，过滤、洗涤、低温烘干Al(OH)3

【解析】本题考查化学工艺流程，（1）根据图像，随着温度的升高，SO2的吸收率降低，因此提高SO2的吸收率，需要降低通入含硫烟气的温度，通入烟气的速率越快，SO2的吸收率越低，因此提高SO2的吸收率，减小通入含硫烟气的流速；（2）烟气中含有SO2，溶于水生成H2SO3，溶液显酸性，SiO2属于酸性氧化物，不与H2SO3，反应Al2O3是两性氧化物，Fe2O3和FeO属于碱性氧化物，且Fe3＋具有强氧化性，把SO2氧化成SO42－，本身被还原成Fe2＋，MnO2中＋4价Mn被还原成Mn2＋，因此滤液1中含有金属离子阳离子是Al3＋、Mn2＋、Fe2＋；（3）①比预计的分解温度低，说明MnO2对LiCO3的分解其催化作用；②Li2CO3分解的方程式为Li2CO3Li2O＋CO2↑，MnO2分解产生一种气体，此气体只能是O2，且与产生的CO2的物质的量相等，假设Li2CO3的物质的量为1mol，MnO2的物质的量为4mol，则产生1molCO2，即生成1molO2，根据元素守恒，B中应含4molMn和6molO，即B的化学式为Mn2O3，反应方程式为：4 MnO2 2Mn2O3 +O2↑；③Li2O与Mn2O3反应生成LiMn2O4，因为固体质量增加，因此反应方程式为：2Li2O + 4 Mn2O3 + O2 4 LiMn2O4 ；（4）根据问题(1)含有的离子是Fe2＋、Al3＋等，根据流程图，Mn2＋存在滤液中，因此需要把Fe2＋和Al3＋以氢氧化物的形式沉淀出来，不能影响Mn2＋，根据表格数据，需要把Fe2＋氧化成Fe3＋，然后调节pH，再利用氢氧化铝的两性，除去Fe(OH)3 ，因此具体步骤是：滴加足量H2O2，搅拌，加入NaOH溶液至4.7≤pH＜7.7，过滤得滤液2和固体。向所得固体中加入NaOH溶液至pH≥12，搅拌、过滤，再向所得滤液中通入过量的CO2，过滤、洗涤、低温烘干Al(OH)3。

点睛：本题的难点是实验方案的设计，需要根据问题(1)中含有的金属阳离子，通过流程图，Mn2＋留在溶液中，通过调节pH，使铝元素和铁元素以氢氧化物的形式沉淀出来，根据表格数据，因此需要加入H2O2把Fe2＋氧化成Fe3＋，然后调节pH，但不能影响Mn2＋，因此pH范围是4.7≤pH＜7.7，然后利用氢氧化铝的两性，加入氢氧化钠使氢氧化铝溶解，最后通入CO2得到Al(OH)3沉淀。