利用基于溶剂萃取的膜实现过渡金属离子的同时分离

《Journal of Membrane Science》：Achieving simultaneous fractionation of transition metal ions using solvent-extraction based membranes

金属离子对 simultaneous fractionation by integrated PIM/SLM 膜系统

　　本研究聚焦于从含有高有机酸浓度的模拟废水中同时分离常见的金属离子对，如锰（Mn2?）和钴（Co2?）。这一过程对于生产高纯度金属材料至关重要，但长期以来面临着技术挑战。研究人员提出了一种结合溶剂萃取技术的双膜系统，包括一种对Mn2?具有选择性的聚合物包含膜（PIM）和一种对Co2?具有选择性的支撑液膜（SLM），以实现高效的离子回收和高纯度产物的同步分离。

Mn2?和Co2?在化学性质和物理行为上具有高度相似性，这使得它们的分离尤为困难。然而，通过优化膜材料和结构参数，研究团队成功地设计并测试了两种具有不同选择性的膜系统。PIM采用二(2-乙基己基)磷酸（D2EHPA）作为载体，而SLM则使用Lix-63和Versatic Acid 10（V10）作为二元萃取剂。这两种膜系统分别针对Mn2?和Co2?进行选择性萃取，并通过集成方式实现同步分离。

研究发现，使用具有较高表面粗糙度和疏水性的聚四氟乙烯（PTFE）作为铸造基底，显著提升了PIM的离子传输速率。相比传统的玻璃基底，PTFE基底的PIM在离子传输速率上提高了2.4倍，达到0.045毫克每平方厘米每小时。这一结果可能归因于PTFE基底表面的微结构，促进了连续离子通道的形成，从而增强了离子通过固定位点跳跃机制的传输能力。此外，对于SLM的优化，研究团队通过选择高孔隙率的支撑膜并以1:1的比例加入稀释剂，使得Co2?的传输速率提高了1.6倍。

在实验过程中，研究人员在pH值为2.3的条件下，实现了Co2?的近100%纯度，且在30小时内达到了33%的提取率；而Mn2?的提取率则为65%，并且具有合理的纯度。当pH值提高至3.5时，两种金属离子均被完全去除，但纯度有所下降。这些结果表明，膜材料的选择和操作条件的优化对于溶剂萃取基膜过程的渗透性与选择性之间的平衡至关重要。

此外，研究还发现，PIM和SLM的结构特性对离子传输行为具有重要影响。例如，通过不同的铸造基底，可以改变膜的表面形态和有效表面积，进而影响离子的传输路径和效率。这为未来开发具有更高性能的双膜系统提供了新的思路。同时，研究团队也指出，目前关于PIM和SLM的性能优化，大多集中于添加化学添加剂，如增塑剂、亲水性共聚物和交联剂等。然而，本研究首次系统地评估了不同铸造基底对PIM性能的影响，为后续研究提供了新的方向。

在实际应用中，这种同步分离策略不仅能够提高金属离子的回收效率，还能减少化学试剂的使用，从而降低环境负担。这对于实现关键金属的闭环利用具有重要意义。特别是在绿色能源和环保技术领域，Mn2?和Co2?作为重要的催化剂，其回收和再利用对于资源可持续性至关重要。通过开发高效的分离技术，可以有效减少金属资源的浪费，同时提高工业生产中的资源利用率。

研究团队还指出，目前在膜材料设计和应用方面，仍存在诸多技术挑战。例如，如何在保持高选择性的同时，提高膜的渗透率，是一个亟待解决的问题。此外，如何优化膜的结构参数，使其在不同pH条件下保持稳定的性能，也是研究的重点之一。这些问题的解决不仅有助于提高分离效率，还能推动相关技术在工业生产中的广泛应用。

在实验方法上，研究团队采用了多种表征手段，包括扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM），以评估膜的表面形态和结构特性。这些表征结果表明，不同铸造基底对膜的表面形态和有效表面积具有显著影响，从而影响离子的传输行为。例如，PTFE基底的PIM表现出不同的结构，而玻璃基底和玻璃纤维支撑的PTFE基底则显示出更均匀的表面形态。这些结果为后续研究提供了重要的数据支持。

在研究过程中，研究人员还关注了膜的孔隙率和支撑膜的选择对SLM性能的影响。通过选择高孔隙率的支撑膜并加入稀释剂，研究团队成功提高了Co2?的传输速率。这一结果表明，支撑膜的孔隙率和稀释剂的使用对于SLM的性能优化具有重要影响。同时，研究团队还指出，目前在SLM的性能优化方面，主要依赖于稀释剂的添加，而本研究通过系统地评估不同支撑膜和稀释剂比例对SLM性能的影响，为未来研究提供了新的思路。

此外，研究团队还强调了膜材料的表面特性对离子传输行为的影响。例如，疏水性和表面粗糙度的改变可能影响膜的离子通道形成，从而影响离子的传输效率。这一发现对于优化膜材料的设计和选择具有重要意义。通过调整膜的表面特性，可以进一步提高离子的传输速率，同时保持膜的选择性。

在实际应用中，这种同步分离策略具有广阔的前景。例如，在电池制造、催化剂生产和其他工业应用中，Mn2?和Co2?的回收和再利用对于资源可持续性至关重要。通过开发高效的分离技术，可以有效减少金属资源的浪费，同时提高工业生产中的资源利用率。此外，这种技术还可以应用于其他金属离子的分离，为资源回收和环境保护提供新的解决方案。

研究团队还指出，当前在膜材料设计和应用方面，仍存在诸多技术挑战。例如，如何在保持高选择性的同时，提高膜的渗透率，是一个亟待解决的问题。此外，如何优化膜的结构参数，使其在不同pH条件下保持稳定的性能，也是研究的重点之一。这些问题的解决不仅有助于提高分离效率，还能推动相关技术在工业生产中的广泛应用。

在研究过程中，研究人员还关注了膜的孔隙率和支撑膜的选择对SLM性能的影响。通过选择高孔隙率的支撑膜并加入稀释剂，研究团队成功提高了Co2?的传输速率。这一结果表明，支撑膜的孔隙率和稀释剂的使用对于SLM的性能优化具有重要影响。同时，研究团队还指出，目前在SLM的性能优化方面，主要依赖于稀释剂的添加，而本研究通过系统地评估不同支撑膜和稀释剂比例对SLM性能的影响，为未来研究提供了新的思路。

此外，研究团队还强调了膜材料的表面特性对离子传输行为的影响。例如，疏水性和表面粗糙度的改变可能影响膜的离子通道形成，从而影响离子的传输效率。这一发现对于优化膜材料的设计和选择具有重要意义。通过调整膜的表面特性，可以进一步提高离子的传输速率，同时保持膜的选择性。

在实际应用中，这种同步分离策略具有广阔的前景。例如，在电池制造、催化剂生产和其他工业应用中，Mn2?和Co2?的回收和再利用对于资源可持续性至关重要。通过开发高效的分离技术，可以有效减少金属资源的浪费，同时提高工业生产中的资源利用率。此外，这种技术还可以应用于其他金属离子的分离，为资源回收和环境保护提供新的解决方案。

综上所述，本研究通过设计和优化两种具有不同选择性的膜系统，成功实现了Mn2?和Co2?的同步分离。这一成果不仅为关键金属的回收和再利用提供了新的技术路径，还为资源循环利用和环境保护做出了重要贡献。研究团队的发现表明，膜材料的选择和结构参数的优化对于提高分离效率和实现高纯度产物具有重要意义，为未来开发更高效的分离系统奠定了基础。