近日，苏州大学靳健教授与江林教授领衔的团队，在知名期刊Nature Communications上发表新研究，该研究提出了一种太阳能驱动的膜分离技术，为直接从人工盐湖卤水中提取锂提供了新的途径。
    受自然界中红树林选择性离子吸收和盐分分泌过程的启发，该技术巧妙地结合了离子分离膜与太阳能蒸发器，实现了Li+在蒸发器表面的高效选择性富集，进而以LiCl的形式结晶出来。这一突破为盐湖提锂带来了清洁、高效的解决方案。

    锂，被誉为“21世纪能源金属”，在能源领域占据着不可或缺的地位，因此锂资源的开发显得尤为重要。尽管陆地上70%的锂资源储存在盐湖卤水中，但卤水中高浓度的竞争离子（如Mg2+）给盐湖提锂带来了不小的挑战。近年来，纳滤膜技术在盐湖提锂方面受到了广泛关注，其分离效率相较于传统的离子交换、电渗析和溶剂萃取等技术更为出色。然而，纳滤过程的高渗透压问题使得直接纳滤变得不可行，通常需要预先通过大量淡水稀释高浓度卤水。随后，纳滤分离得到的富Li+溶液还需进一步浓缩才能获得固体锂产品，这无疑增加了能耗和成本。因此，探索更为高效、低能耗的盐湖提锂方式显得尤为迫切。

    泌盐植物红树林，这一生长在热带、亚热带海岸潮间带的独特木本植物群落，其根部细胞膜具有在海水中选择性吸收水分和盐离子的能力。通过蒸腾作用，这些植物将所需水分和离子从根部运至树叶，同时又能将体内多余的盐离子通过叶片上的盐腺分泌出去（见图1a-b）。这一自然现象为盐湖提锂提供了新的灵感。

    受红树林选择性离子吸收和盐分分泌过程的启发，靳健与江林教授领衔的团队巧妙地结合了离子分离膜与太阳能蒸发器，直接从盐湖卤水中提取氯化锂（LiCl）。他们利用聚酰胺（PA）膜作为离子筛分层，实现Li+与Mg2+的高效分离。同时，亲水的聚醚砜（PES）微滤膜为水分子提供了快速传输的通道，而具有高光热转换效应的聚苯胺（PANI）纳米纤维阵列则作为光热层，促进水的快速蒸发。在处理LiCl/MgCl2混合溶液时，水和Li+在毛细管力的作用下穿过PA膜，抵达光热层。随着水的持续蒸发，Li+在蒸发器表面逐渐富集，最终以LiCl的形式结晶出来。这一创新技术为盐湖提锂提供了清洁、高效的解决方案。

图1 （a）泌盐植物红树林照片，（b）红树林选择性离子吸收和盐分分泌过程示意图，（c）太阳能驱动膜分离过程的示意图。

    在本研究中他们采用原位聚合的方式在PES多孔膜表面生长出PANI纳米线阵列，在紫外-可见光范围光吸收率高达96%。PANI光热层可以将太阳光转换成热，促进水的蒸发。在光强为3 kW m^-2的条件下，水蒸发速率为3.13 kg m^-2 h^-1。在水的蒸发过程，由于水分子之间的相互作用，在PES孔道内可以产生大约12.3 bar的毛细力，该作用力可以驱动水和离子透过PA分离层。以哌嗪（PIP）和均苯三甲酰氯（TMC）作为反应单体，采用界面聚合方法制备了PA离子分离膜，并调控了PA膜的分离孔径，以实现高效Li⁺/Mg²⁺分离。

　　图2a和b为太阳光驱动Li⁺/Mg²⁺分离装置示意图及实物图，伴随着水不断蒸发，在光热层表面可以观察到盐晶体的形成。选择性离子的传输是实现Li⁺/Mg²⁺分离的重要前提。为此，分别使用1 mol L^-1的MgCl₂和LiCl溶液对光热下Mg²⁺和Li⁺的扩散速率进行了测试。如图2c所示，Mg²⁺的扩散速率为0.07 mol m^-2 h^-1，Li⁺的扩散速率为0.91 mol m^-2 h^-1，约是Mg²⁺的13倍，这为在光热下实现锂镁分离提供了可能。根据Uyuni-salar盐湖卤水的组成，他们配制了总盐浓度高达348.4g L^-1，Mg²⁺/Li⁺质量比高达19.8的模拟卤水。经过一段时间的蒸发处理，将PANI结晶出的盐固体收集起来，并分析其组成。实验发现NaCl和LiCl显著增加，说明单价盐离子可以透过PA分离在蒸发表面富集。但是对MgCl₂和CaCl₂具有很高的截留（图2d）。卤水中镁和锂的比例是决定锂提取工艺的关键因素。当Mg²⁺/Li⁺质量比较低时，从盐湖卤水中提取锂变得更容易。他们发现在PANI蒸发器表面收集到的盐固体粉末中Mg²⁺/Li⁺的质量比为0.3，与模拟盐湖卤水相比减少了66倍（图2e）。在低Mg²⁺/Li⁺比例下，加入NaOH和草酸钠以去除残留的少量Mg²⁺和Ca²⁺之后，通过加入Na₂CO₃，Li⁺可以很容易以Li₂CO₃的形式沉淀出来（图2f）。进一步的定量元素分析表明，Li₂CO₃的纯度约为99%，满足电池级Li₂CO₃纯度的要求。

图2 （a）太阳光驱动Li⁺/Mg²⁺分离装置示意图及（b）实物图，（c）离子跨膜速率，（d）在模拟盐湖卤水条件下光热膜对各组分的截留率，（e）分离前后Mg²⁺/Li⁺的质量比，（f）所获Li₂CO₃的沉淀的XRD衍射谱及照片。

　苏州大学材化部张慎祥副教授为论文的第一作者，靳健教授和江林教授为该论文的共同通讯作者。该研究工作得到科技部重点研发计划、国家自然科学基金的资助。

　　原文信息

　　Solar-driven membrane separation for direct lithium extraction from articial salt-lake brine

　　Shenxiang Zhang, Xian Wei, Xue Cao, Meiwen Peng, Min Wang, Lin Jiang*, Jian Jin*

　　Nat. Commun. 2024, 15, 238

　　https://www.nature.com/articles/s41467-023-44625-w