表面活性剂调控的电喷雾打印PEI-TMC纳滤膜，用于高效分离Mg2+/Li+

《Water Research》：Surfactant-regulated electrospray printing PEI-TMC nanofiltration membrane for efficient separation of Mg2+/Li+

锂回收高效纳滤膜开发：基于DOSS介导电喷雾交联聚合技术，通过微液滴稳定Taylor锥并调控单体扩散，实现聚酰胺层均匀亚纳米级孔结构，使Mg2?/Li?选择性达142，水通量13.45 L·m?2·h?1·bar?1，连续运行稳定性验证。

　　
锂资源作为新能源产业的核心战略资源，其高效回收技术已成为全球科研领域的重点方向。盐湖卤水因其高达69%的可提取锂资源占比，成为锂工业的重要原料来源。然而，卤水中镁锂离子（Mg2?/Li?）的分离难题长期存在，传统纳滤膜在选择性控制、抗污染能力及工艺稳定性方面存在显著短板。针对这一技术瓶颈，研究团队创新性地构建了DOSS介导的 electrospray interfacial polymerization（DEIP）技术体系，为锂资源高效回收提供了突破性解决方案。

**技术路径创新突破**
传统聚酰胺（PA）膜依赖正电荷的PEI单体与TMC单体通过界面聚合法构建选择性层。然而，PEI分子量高达600 Da，在常规聚合法中扩散受阻，导致PA层孔隙分布不均（平均孔径＞1 nm），进而影响离子筛分效率。DEIP技术通过引入两亲性表面活性剂DOSS，实现了对聚合反应的精准调控：DOSS分子同时具备亲水头和疏水尾的结构特性，能够有效稳定微液滴界面，将原本连续的聚合层分割为5-8层亚纳米级（＜0.5 nm）复合结构。这种仿生级微观结构不仅显著降低离子传输阻力（水渗透率提升至13.45 L·m?2·h?1·bar?1），更通过孔径梯度分布（亚纳米级主孔径配合纳米级侧孔）实现了Li?与Mg2?的精准分离。

**材料科学视角的工艺革新**
研究团队在电喷雾工艺中引入DOSS辅助体系，攻克了传统EIP技术两大核心难题：首先，通过表面活性剂解离平衡，同步稳定PEI水相（pH 9.2）和TMC有机相（pH 5.8）的Taylor锥形喷流，实现两种单体以0.1-0.3 μm微液滴形式精准对撞（图1c显示典型微滴阵列结构）。其次，DOSS自组装形成的纳米膜层有效抑制n-己烷溶剂挥发（挥发速率降低82%），将TMC水解率控制在＜3%以内。这种双功能调控机制使PA层孔隙率提升至78.5%，且孔径标准差从传统膜的35.6%降至12.4%，显著优于PEI-TMC常规膜（孔隙率65.2%，标准差28.1%）。

**离子筛分机制解析**
通过分子动力学模拟发现，DOSS分子在微液滴界面形成动态离子筛分层：亲水端朝向水相，吸附PEI单体中带正电的氨基（pKa 10.8），疏水端嵌入TMC有机相，抑制其与PEI的过度反应。这种空间位阻效应使PA层表面zeta电位稳定在+32 mV（常规PEI膜为+15 mV），通过静电排斥与尺寸筛分协同作用，最终实现142的Mg2?/Li?选择性分离因子。DFT计算显示，DOSS分子在聚酰胺层中形成周期性离子通道（间距0.38 nm），与Li?（3.8 ?）完美匹配，而Mg2?（4.3 ?）因双电荷效应受到更强静电排斥（库仑势差达5.2 kJ/mol）。

**工程化验证与性能优势**
在模拟盐湖卤水（Mg2?/Li?=20，TDS=180 g/L）的连续运行测试中，DEIP膜展现出卓越的稳定性能：前72小时渗透通量保持98%以上，分离因子波动范围仅±3.8%。对比实验表明，传统PEI-TMC膜在相同工况下渗透通量衰减达42%，分离因子稳定在120-130区间。特别值得注意的是，DEIP膜在处理高浓度硫酸根（>5 mmol/L）的卤水时，仍能保持85%以上的Li?截留率，这得益于表面活性剂形成的致密保护层有效抑制了膜污染。

**产业化应用前景**
该技术体系已实现工程化放大验证，在100 m3/h处理规模的示范装置中，DEIP膜组件展现出持续运行60天以上的稳定性，单台设备年处理量可达5000吨卤水，相当于从200万吨盐湖卤水中提取15万吨Li?CO?。经济性分析显示，与传统锂提取工艺相比，DEIP膜法可降低40%的运营成本，同时减少92%的化学试剂消耗。目前研究团队正在开发模块化膜组件，计划在2025年前完成中试线建设，目标市场覆盖南美锂三角地区及国内青海、西藏等盐湖资源区。

**技术延展与生态效益**
该创新工艺具有显著的延展性：通过调整DOSS添加浓度（0.5-2.0 wt%），可在保持高选择性的同时实现水通量连续调控（8-18 L·m?2·h?1·bar?1）；若将DOSS替换为生物可降解表面活性剂（如糖基 surfactant），则可进一步降低环境风险。环境评估显示，每处理1吨卤水可减少3.2 kg CO?当量排放，若规模化应用每年可减少50万吨碳排放。

**学术价值与实践意义**
本研究在界面聚合机理层面取得重要突破，首次系统揭示了表面活性剂在微尺度液滴中的动态组装规律。通过建立微乳滴-聚合层-孔道结构的构效关系模型，为智能膜材料设计提供了新范式。在工业应用层面，成功解决了纳滤膜材料长期存在的"高选择性与低通量不可兼得"的技术悖论，使锂回收经济性突破盈亏平衡点（＜$50/kg Li），标志着盐湖提锂技术从实验室研究向产业化应用迈出关键一步。

**后续研究方向**
研究团队已规划下一步技术攻关：1）开发DOSS可控释放系统，延长膜寿命至2年以上；2）构建多级复合膜结构，提升总锂回收率至98%；3）建立卤水原位膜处理工艺，降低预处理成本。这些改进有望使单位锂产量的能耗降低至0.15 kWh/g，达到国际领先水平。

该技术突破不仅为全球锂资源战略安全提供了技术储备，更开创了表面活性剂工程化调控膜材料的新范式，对其他离子分离膜（如铀钍分离、稀土提纯）的研究具有重要借鉴价值。