离子筛材料及其制备和使用方法技术领域
本发明涉及盐化合物工业的生产和提纯领域，尤其涉及一种离子筛材料及其制备
和使用方法。
背景技术
1932年，McBain提出了“分子筛”的概念。分子筛是指具有均匀的微孔，其孔径与一
般分子大小相当的一类物质。分子筛的应用非常广泛，可以作高效干燥剂、选择性吸附剂、
催化剂、离子交换剂等，但是使用化学原料合成分子筛的成本很高。常用分子筛为结晶态的
硅酸盐或硅铝酸盐，是由硅氧四面体或铝氧四面体通过氧桥键相连而形成分子尺寸大小
(通常为0.3～2nm)的孔道和空腔体系，因吸附分子大小和形状不同而具有筛分大小不同的
流体分子的能力。主要用于汽车、建筑玻璃、医药、油漆涂料、包装等领域。“分子筛”的工作
原理分为：吸附功能：分子筛对物质的吸附来源于物理吸附(范德华力)，其晶体孔穴内部有
很强的极性和库仑场，对极性分子(如水)和不饱和分子表现出强烈的吸附能力。筛分功能：
分子筛的孔径分布非常均一，只有分子直径小于孔穴直径的物质才可能进入分子筛的晶穴
内部。通过吸附的优先顺序和尺寸大 小来区分不同物质的分子，所以被形象的称为“分子
筛”。
我国西北部地区的盐湖中含有大量的盐化合物矿资源，这些盐矿资源对于日常生
活、农业、工业和军工来说是十分重要的，例如钾盐是钾肥的最主要的成分、炸药的主要成
分，还是新能源储热的重要介质；钠盐是日常生活中，每个人都不可缺少摄入的物质；但盐
湖卤水中同时含有大量的各种金属离子和盐化合物类。目前有效利用这些盐矿的方法一般
就是化学法提纯，这样的方法成本高且非常不环保；也有人尝试使用离子筛从盐湖卤水中
定向提取金属离子，但这样的方法是在水溶液中进行的，效率不高。
因此，有必要提供一种针对劣化的或含有杂质的盐化合物进行纯化的材料和/或
工艺，以提升生产效率，降低生产成本，且环保无污染。
发明内容
因此，本发明旨在提供一种离子筛材料，其制备和使用方法，以对劣化的或含有杂
质的盐化合物进行纯化。
一种离子筛材料，按照各组分在所述离子筛材料中的质量百分含量计，所述离子
筛材料包括15％～55％的SiO2、5％～50％的辅料、15％～48％的至少一种功能性金属氧化
物，所述功能性金属氧化物中的金属为一价和/或二价金属。
可选地，所述SiO2的质量含量为30％～50％，所述辅料与SiO2形成极性共价键和离
子键，该辅料选自氧化磷、氧化硼、氧化铝、氧化锆、氧化铬、氧化铁、氧化锌、氧化铋、氧化钴
或氧化钛中的至少一种。
可选地，所述功能性金属氧化物的质量含量为18％～36％，所述功能性金属氧化
物为至少一种一价金属氧化物；或为至少一种二价金属氧化物；或为至少一种一价金属氧
化物和至少一种二价金属氧化物的混合物。
可选地，所述一价金属氧化物的原材料选自碳酸盐、硅酸盐、氟化物、硫酸盐、硝酸
盐、磷酸盐、氢氧化物、氧化物、氯化物或其混合物，所述一价金属氧化物的总重量在所述离
子筛材料中的质量含量为0～40wt％。
可选地，所述二价金属氧化物的原材料选自碳酸盐、硅酸盐、氟化物、硫酸盐、硝酸
盐、磷酸盐、氢氧化物、氧化物、氯化物或其混合物，所述二价金属氧化物的总重量在所述离
子筛材料中的质量含量为0～40wt％。
另外，本发明还提供一种离子筛材料的制备方法，包括以下步骤：
提供SiO2原料、辅料原料、功能性金属氧化物的原材料，进行充分混合，各组分在
获得的离子筛材料产品中的质量百分含量计，所述SiO2为15％～55％、辅料为5％～50％、
功能性金属氧化物为15％～48％；
将所述混合物加热到900℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成亚稳定态的离子筛前
驱体。
可选地，上述制备方法的过程中，当形成亚稳定态的离子筛前驱体之后，将所述亚
稳定态的离子筛前驱体倒入到温度为0～90℃的水中淬冷处理，从而得到颗粒状离子筛材
料。
可选地，上述制备方法的过程中，当形成亚稳定态的离子筛前驱体之后， 将所述
亚稳定态的离子筛前驱体缓冷至400℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，
从而得到片状离子筛材料。
再者，本发明还提供一种离子筛材料的使用方法，包括以下步骤：
提供待提纯的熔融液态盐化合物；
将所述的离子筛材料放入所述熔融液态盐化合物中，在超过所述液态盐化合物的
熔化温度下，进行反应；待熔融液态盐化合物中待提纯的杂质金属离子的浓度在预定范围
内时，取出离子筛材料。
可选地，所述熔融液态盐化合物中被提纯的各杂质金属离子的化合价乘以相应的
摩尔数的总数，等于所述离子筛材料中参与反应的功能性金属氧化物中金属离子的化合价
乘以相应的摩尔数的总数。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明的离子筛材料，其组分的选择和含量的配置，具体来说，选用特定含
量的陶瓷辅料改善和SiO2形成的极性共价键和离子键，并配合设置特定含量的功能性金属
氧化物，使得最终得到的离子筛材料具备优良的杂质离子吸附性能。
值得一提的是：经过大量试验发现，当SiO2的质量含量为30％～50％，功能性金属
氧化物的质量含量为18％～36％，这样的搭配情况下获得的离子筛材料具有优良的应用效
果。
其次，由于本发明的离子筛材料核心在于各组分的选择和含量的配置，其 制备起
来简单、方便，制备过程容易，而且可以通过选用不同的冷却方式得到不同形态的离子筛材
料。
再次，本发明的离子筛材料使用过程中，由于其组成配比的设置，可高效恢复熔融
态盐化合物的活性，同时，不会在熔融态盐化合物中引入其它杂质离子，并有效地定向去除
熔融态盐化合物中金属杂质离子，使用过后的离子筛不会对环境产生污染。
最后，本发明的离子筛材料，由于其制作工艺的多样化，得到不同形态的离子筛，
从而在恢复盐化合物纯度的使用过程可以相应地多样化使用。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结
合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解
释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种离子筛材料，用于提取或者吸附熔融态盐化合物中的杂质金属离
子，以纯化熔融态盐化合物。
所述熔融态盐化合物可以为各种含有杂质金属离子的盐化合物。例如，锂电池行
业必须要使用的钴酸锂、镍酸锂、锰酸锂、磷酸铁锂等盐化合物,而这些盐当中微量的杂质
离子将会对电池效率产生巨大的负面效应；例如,可以为离子交换化学强化法所用的盐浴，
在玻璃强化过程中，离子交换化学强化盐浴使用一段时间后，从玻璃中交换出来的杂质金
属离子在盐浴中愈来愈多，从而使 得盐浴失活、强化玻璃的效果弱化；在这些应用领域，对
于需要去除杂质或失活的盐浴，加入本发明的离子筛材料，在一定温度下(高于熔融态盐化
合物的熔点的温度)进行反应一段时间后，离子筛材料会吸附或提取这些杂质金属离子，从
而提纯、增强或恢复盐浴的活性。
所述离子筛材料的组成，按照各组分在所述离子筛材料中的质量百分含量计，包
括15％～55％的SiO2、5％～50％的陶瓷辅料、15％～48％的至少一种功能性金属氧化物，
所述功能性金属氧化物的化合价与所述熔融态盐化合物中的杂质离子的化合价一致。
陶瓷离子筛的各组分中，SiO2是作为陶瓷基材，是必备的组分，其质量含量通常为
15％～55％。
陶瓷辅料是用于和陶瓷基材，例如SiO2形成共价键组成离子筛网络结构的骨架
的，其组成和含量的选择直接影响到离子筛网络结构的吸附性能。陶瓷辅料可以选自氧化
磷、氧化硼、氧化铝、氧化锆、氧化铬、氧化铁、氧化锌、氧化铋、氧化钴或氧化钛中的至少一
种。根据实际应用中的反复实验发现，上述陶瓷辅料中两种或两种以上搭配掺入到陶瓷基
材SiO2中，其与SiO2形成共价键组成的离子筛网络结构展现出更为优良的吸附效果。例如，
将氧化硼和氧化铝按照一定配比加入到SiO2中。
功能性金属氧化物中的金属元素旨在置换或提取盐浴中的杂质金属离子，经过实
验发现，当功能性金属氧化物中的至少一种金属氧化物(参与反应的功 能性金属氧化物不
限于全部功能性金属氧化物，只要参与反应的部分功能性金属氧化物可以将盐浴中的杂质
金属离子提取/置换到预定浓度范围便可)的金属原子的化合价的摩尔数总和等于盐浴中
的杂质金属离子的化合价的摩尔数总和。
功能性金属氧化物包含多种情况，首先，其可以是一价金属氧化物，具体来说，可
以是单独一种一价金属氧化物，也可以是两种以上一价金属氧化物的混合物；其次，功能性
金属氧化物可以是二价金属氧化物，具体来说，可以是单独一种二价金属氧化物，也可以是
两种以上二价金属氧化物的混合物；最后，功能性金属氧化物可以是一价金属氧化物和二
价金属氧化物的混合物，这里互相混合的一价金属氧化物和二价金属氧化物的种类分别为
一种以上。
当功能性金属氧化物为一价金属氧化物时，该金属氧化物中的金属元素为碱金
属，例如锂、钠、钾、铷中的至少一种；所述一价金属氧化物的原材料选自碳酸盐、氟化物、硫
酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氢氧化物、氧化物、氯化物或其混合物。所述一价金属氧化物的原材
料是指，在本发明离子筛的制备过程中，这些原材料经过反应，最后在离子筛产品中以所述
功能性金属氧化物形式存在。例如，盐浴中的金属杂质离子为钾离子(一价)，则功能性金属
氧化物的原料可以为碳酸铷、氟化铷、硫酸铷、硝酸铷、磷酸铷、氢氧化铷、氧化铷、氯化铷或
其混合物，那么最终在离子筛材料中存在的是氧化铷，在离子筛材料使用过程中，氧化铷中
的铷元素用于提取杂质金属钾离子。
当功能性金属氧化物为二价金属化合物时，该金属氧化物中的金属元素可 以为
碱土金属，例如镁、钙、锶、钡中的至少一种；所述二价金属氧化物的原材料选自碳酸盐、氟
化物、硫酸盐、硝酸盐、磷酸盐、氢氧化物、氧化物、氯化物或其混合物。例如，盐浴中的金属
杂质离子为镁离子(二价)，则功能性金属氧化物的原材料可以为碳酸钙、氟化钙、硫酸钙、
硝酸钙、磷酸钙、氢氧化钙、氧化钙、氯化钙或其混合物，那么最终在离子筛材料中存在的是
氧化钙，在离子筛材料使用过程中，氧化钙中的钙元素用于提取杂质金属镁离子。
当所述功能性金属氧化物为一价金属氧化物和二价金属氧化物的混合物时，例
如，盐浴中的金属杂质离子包含钾离子(一价)和镁离子(二价)，则功能性金属氧化物的原
材料可以为上述为一价功能性金属氧化物和二价功能性金属氧化物的混合物，比如，原材
料为碳酸铷和碳酸钙的混合物，或者硫酸铷和硫酸钙的混合物，当然也可以为碳酸铷和硫
酸钙的混合物。
另外，本发明提供一种上述离子筛材料的制备方法，包括以下步骤：
首先，提供SiO2原料、陶瓷辅料原料、功能性金属氧化物的原材料，进行充分混合，
各组分在获得的离子筛材料产品中的质量百分含量计，所述SiO2为15％～55％、陶瓷辅料
为5％～50％、功能性金属氧化物的原材料的用量使得反应后得到的功能性金属氧化物在
最终获得的离子筛材料中的含量为15％～48％。
其次，将所述混合物加热到900℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成亚稳定态的离
子筛前驱体。
可选地，当生成亚稳定态的离子筛前驱体后，将亚稳定态的离子筛前驱体 导入到
温度为0～90℃的水中淬冷处理，从而得到颗粒状离子筛材料。
可选地，当生成亚稳定态的离子筛前驱体后，将亚稳定态的离子筛前驱体缓冷至
400℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，从而得到薄片状离子筛材料。
此外，本发明还提供一种离子筛材料的使用方法，包括以下步骤：
首先，将待提纯的液态盐化合物。例如，可以是将待提纯的盐化合物加热到熔融的
液态，或者提供使用一段时间后的弱化或失效的盐浴。
其次，将上述离子筛材料放入所述液态盐化合物中，在超过所述盐化合物的熔化
温度下，进行反应5-12小时(例如可以为5小时、8小时、10小时或12小时)，待熔融的液态盐
化合物中待提纯的金属离子的浓度在预定范围内时，取出离子筛材料。本反应步骤中，加入
的离子筛材料的量具有以下要求：熔融的液态盐化合物中被提纯的各杂质金属离子的化合
价乘以相应的摩尔数的总数，等于离子筛材料中参与反应的功能性金属氧化中的金属离子
的化合价乘以相应的摩尔数的总数。
针对本发明离子筛材料有效恢复盐浴活性的特性，以下结合具体实验数据进一步
说明。
实施例1颗粒状离子筛材料的制备及使用
制备过程：称量表1-1中各种配方选项的原材料，混合均匀后放入陶瓷坩埚中加热
到1000℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成稳定的离子筛陶瓷网络结 构后，放入到温度为
20℃的水中淬火冷却，即可得到对应的颗粒状离子筛材料；采用扫描电镜+能谱分析，并按
照100％归一计算法得到该颗粒状离子筛材料组成如表1-2所示。
使用过程：
应用实例一：
表1-3应用实例一的使用条件
表1-4应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例二：
表1-5应用实例二的使用条件
盐化合物组份说明：
100％LiNO3；
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
5％
反应时间：
5小时
反应温度：
420℃
表1-6应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
实施例2薄片状离子筛材料的制备及使用
制备过程：称量表2-1中各种配方选项的原材料，混合均匀后放入陶瓷坩 埚中加
热到1000℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成稳定的亚稳定态的离子筛前驱体后，缓冷至
400℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，从而得到薄片状离子筛材料；采用
扫描电镜+能谱分析，并按照100％归一计算法得到该薄片状离子筛材料组成如表2-2所示。
使用过程：
应用实例一：
表2-3应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
100％NaNO3；
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
10％
反应时间：
12小时
反应温度：
420℃
表2-4应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例二：
表2-5应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
100％NaNO3；
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
5％
5
12小时
反应温度：
450℃
表2-6应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
实施例3薄片状离子筛材料的制备及使用
制备过程：称量表3-1中各种配方选项的原材料，混合均匀后放入陶瓷坩埚中加热
到1000℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成稳定的亚稳定态的离子筛前驱体后，缓冷至400
℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，从而得到薄片状离子筛材料；采用扫
描电镜+能谱分析，并按照100％归一计算法得到该薄片状离子筛材料组成如表3-2所示。
使用过程：
应用实例一：
表3-3应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
熔融液态盐化合物组份：
100％KNO3；
薄片状离子筛材料添加质量比例：
5％
反应时间：
8小时
反应温度：
450℃
表3-4应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例二：
表3-5应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
100％KNO3；
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
5％
反应时间：
5小时
反应温度：
480摄氏度
表3-6应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例三：
表3-7应用实例三中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
100％KNO3；
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
10％
反应时间：
12小时
反应温度：
480℃
表3-8应用实例三中使用离子筛前后测量结果对比分析
实施例4薄片状离子筛材料的制备及使用
制备过程：称量表4-1中各种配方选项的原材料，混合均匀后放入陶瓷坩埚中加热
到1000℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成稳定的亚稳定态的离子筛前驱体后，缓冷至400
℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，从而得到薄片状离子筛材料；采用扫
描电镜+能谱分析，并按照100％归一计算法 得到该薄片状离子筛材料组成如表4-2所示。
使用过程：
应用实例一：
表4-3应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
表4-4应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例二：
表4-5应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
50％KNO3+50％NaNO3
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
5％
反应时间：
5小时
反应温度：
460℃
表4-6应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
实施例5薄片状离子筛材料的制备及使用
制备过程：称量表5-1中各种配方选项的原材料，混合均匀后放入陶瓷坩埚中加热
到1000℃～1500℃，搅拌至熔融状态，形成稳定的亚稳定态的离子筛前驱体后，缓冷至400
℃～900℃，通过机械外力拉制成型或挤压成型处理，从而得到薄片状离子筛材料；采用扫
描电镜+能谱分析，并按照100％归一计算法得到该薄片状离子筛材料组成如表5-2所示。
使用过程：
应用实例一：
表5-3应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
熔融液态盐化合物组份：
90％KNO3+10％Ba(NO3)2
薄片状离子筛材料添加质量比例：
10％
反应时间：
5小时
反应温度：
480℃
表5-4应用实例一中使用离子筛前后测量结果对比分析
应用实例二：
表5-5应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
盐化合物组份说明：
90％KNO3+10％Ba(NO3)2
离子筛陶瓷薄片添加质量比例：
10％
反应时间：
12小时
反应温度：
500℃
表5-6应用实例二中使用离子筛前后测量结果对比分析
上述五个实施例中，用于加入离子筛材料的劣化后的熔融液态盐混合物是：在工
业上使用几个月时间后，已经劣化的盐化合物。
通过五个实施中不同组成的离子筛材料，加入到不同浓度的劣化后的液态盐混合
物中，对使用离子筛材料前和使用后的杂质离子浓度进行测量对比分析，明显发现，本发明
的离子筛材料是的劣化的液态盐混合物中杂质离子例如Li、Na、Mg等明显被提取或吸附，从
而起到了对熔融液态盐混合物溶液的纯化。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
首先，本发明的离子筛材料，其组分的选择和含量的配置，具体来说，选用特定含
量的陶瓷辅料改善和SiO2形成的极性共价键和离子键，并配合设置特定含量的功能性金属
氧化物，使得最终得到的离子筛材料具备优良的杂质离子吸附性能。
值得一提的是：经过大量试验发现，当SiO2的质量含量为30％～50％，功能性金属
氧化物的质量含量为18％～36％，这样的搭配情况下获得的离子筛材料 具有优良的应用
效果。
其次，由于本发明的离子筛材料核心在于各组分的选择和含量的配置，其制备起
来简单、方便，制备过程容易，而且可以通过选用不同的冷却方式得到不同形态的离子筛材
料。
再次，本发明的离子筛材料使用过程中，由于其组成配比的设置，可高效恢复熔融
态盐化合物的活性，同时，不会在熔融态盐化合物中引入其它杂质离子，并有效地定向去除
熔融态盐化合物中金属杂质离子，使用过后的离子筛不会对环境产生污染。
最后，本发明的离子筛材料，由于其制作工艺的多样化，得到不同形态的离子筛，
从而在恢复盐化合物纯度的使用过程可以相应地多样化使用。