高稳定性磺酸侧链型阳离子交换膜(PDSB-x)的构建及其在酸性锂矿浸出液锂回收中的应用

为解决传统阳离子交换膜(CEM)在酸性条件下稳定性差、成本高等问题，中国科学院研究人员通过超强酸催化聚羟基烷基化反应，开发出具有刚性主链和氟化区域的新型磺酸侧链型阳离子交换膜(PDSB-x)。该膜在60°C的1 mol·L-1 HCl中处理1000小时后仍保持稳定，Li+回收率高达99.6%，为苛刻工业环境下的锂提取提供了可持续解决方案。

　　

随着全球对锂资源需求的激增，从锂矿石中高效提取锂成为研究热点。目前主流的硫酸法工艺会产生含高浓度H⁺和杂质离子(如Al³⁺、Fe³⁺)的酸性浸出液，而传统阳离子交换膜(CEM)在此恶劣环境下易发生功能基团降解和机械强度下降。这一技术瓶颈严重制约了电渗析(ED)技术在锂回收领域的应用。

针对这一挑战，中国科学院的研究团队创新性地设计了一种具有刚性主链和氟化区域的新型磺酸侧链型阳离子交换膜(PDSB-x)。通过超强酸催化聚羟基烷基化反应，将2,2-双(3-磺酸丙氧基)联苯二钠(DSOBP)与联苯共聚，构建了兼具疏水主链和亲水磺酸侧链的特殊结构。该研究发表在《Advanced Membranes》期刊，为解决工业酸性环境中离子交换膜稳定性难题提供了突破性方案。

关键技术方法包括：(1)超强酸催化聚合合成PDSB-x聚合物；(2)溶液浇铸法制备均质膜；(3)综合表征技术(FTIR、¹H NMR、TGA、AFM)分析膜结构；(4)电化学性能测试(迁移数、极限电流密度、表面电阻)；(5)模拟锂矿浸出液的ED性能评估。

研究结果部分显示：
3.1 PDSB-x膜的表征
通过FTIR在1130 cm^-1和1025 cm^-1处确认了磺酸基团特征峰，¹H NMR分析显示磺酸侧链与主链的成功整合。AFM图像揭示了明显的微相分离结构，离子交换容量(IEC)达1.05-1.58 mmol·g^-1，为离子传输提供了高效通道。

3.2 电化学性能
PDSB-x膜展现出0.94-0.97的高迁移数(t₊)，表面电阻仅1.58-1.95 Ω·cm²，极限电流密度达60-65 mA·cm^-2，显著优于商业膜。

3.3 膜稳定性
TGA显示膜在150°C以上才开始分解。在60°C的1 mol·L^-1 HCl中浸泡1000小时后，PDSB-2.5膜的IEC仍保持1.3 mmol·g^-1；在80°C芬顿试剂中2小时后质量保留率(79.79%)远超商业膜CXP-S(48.37%)。

3.4 锂回收性能
在模拟浸出液(H⁺≈1000 mg·L^-1，Li⁺ 6300-6700 mg·L^-1)中，60°C、50 mA·cm^-2条件下Li⁺回收率达96.92%，10次循环后仍保持96%以上。Li⁺/Al³⁺和Li⁺/Fe³⁺选择性分别达20.93和763.78。

该研究通过分子结构设计实现了膜材料性能的突破：刚性主链赋予热稳定性，氟化区域增强抗氧化性，微相分离结构优化离子传输。相比商业膜，PDSB-2.5膜在Li⁺回收率(提升约11%)和长期稳定性方面展现出显著优势，为酸性工业废水处理和战略金属回收提供了创新解决方案。这种"结构-性能"协同设计策略对开发新一代特种分离膜具有重要指导意义。