锂离子筛膜耦合电容去离子技术高效选择性回收海水淡化浓盐水中的锂

为解决海水淡化浓盐水(SWDB)中锂(Li)浓度低且竞争离子(Na+、K+、Mg2+、Ca2+)干扰的难题，研究人员开发了Li2TiO3(LTO)膜涂层阴极与阴离子交换膜(AEM)耦合的电容去离子(CDI)系统。通过吸附-冲洗-解吸操作模式，该系统在10次循环中保持活性锂选择性(ALS)>100，实现了对Li的高效选择性回收，为海水锂资源开发提供了创新解决方案。

　　

随着全球对锂资源需求的激增，传统陆地锂矿面临供应短缺和环境压力。海洋中蕴藏着约2300亿吨锂，但海水中锂浓度仅0.17 ppm，即便在海水淡化浓盐水(SWDB)中也仅2 mg/L，且存在大量竞争离子。现有蒸发结晶、溶剂萃取等技术难以应对这种低浓度、多离子干扰的极端环境。

针对这一挑战，研究人员创新性地将钛基锂离子筛(LIS)与电容去离子(CDI)技术结合，开发了Li₂TiO₃(LTO)膜涂层电极系统。通过滚动压制和浸涂法制备的LTO阴极，与AEM阳极协同工作，在模拟SWDB环境中实现了对Li的高效选择性回收。该研究发表在《Water Research》期刊。

关键技术包括：1) 采用固相法合成LTO粉末并通过酸洗活化制备H₂TiO₃；2) 通过3D打印设计优化CDI反应池流体动力学；3) 采用吸附-冲洗-解吸三阶段操作模式；4) 利用ICP-MS监测离子浓度变化。

【材料表征】XRD证实成功合成单斜晶系β-Li₂TiO₃，SEM显示电极具有74.3 μm厚度的多孔涂层结构，接触角测试表明PVA-co-PE基质赋予电极亲水性(10秒内接触角从100.52°降至49.39°)。

【粉末吸附实验】在pH 9.9的碱性条件下，LTO对Li的吸附容量(q_max)达9.8 mg/g，是中性条件的3.3倍。多离子体系中Li/Mg选择性(ρ_Mg^Li)达30.28，但粉末吸附剂存在21.1%的循环损失率。

【电化学性能】CV测试显示LTO@石墨电极兼具双电层电容和法拉第反应特性，GCD测试在1M LiCl中展现稳定充放电行为，PCD测试在20 mg/L低浓度下保持8循环稳定性。

【CDI性能】在±1.0 V操作电压下，碱性条件Li吸附率(67%)优于中性条件(57%)。通过引入冲洗阶段，活性锂选择性(ALS)较初始吸附选择性(GLS)提升20倍，对Ca²⁺的选择性最高达840。

【稳定性测试】10循环测试证实系统可靠性，ALS始终>100。电流密度和pH变化呈现规律性波动，但后期出现ALS下降趋势，可能与LTO结构疲劳和竞争离子累积有关。

该研究通过LTO膜电极与CDI技术的创新结合，解决了SWDB中锂回收的选择性难题。冲洗阶段的引入显著提升了ALS，中性pH下的可行性避免了昂贵的pH调节成本。虽然长期运行中可能出现结构疲劳，但系统展现的稳定性能(10循环ALS>100)和材料可加工性(3D打印池体)为海水锂资源开发提供了新思路。未来研究可聚焦于绿色溶剂替代、天然海水验证及规模化应用，推动这一可持续锂提取技术的发展。