阳离子纳米凝胶修饰聚酰胺薄膜纳米复合膜实现高效锂镁离子分离

为解决锂离子电池原料提取中Li+/Mg2+分离效率低的技术瓶颈，研究人员通过表面修饰策略开发了阳离子纳米凝胶改性的聚酰胺薄膜纳米复合膜（TFN）。该研究利用p(NIPAM-co-APMAH)纳米凝胶提升膜表面正电荷密度，在2000 ppm盐溶液中实现Li+/Mg2+选择性31和水通量54.3 L·m?2·h?1，突破传统渗透性-选择性权衡效应，为盐湖提锂提供了创新解决方案。

　　

随着全球能源转型加速，锂资源作为锂离子电池的核心原料需求激增，但传统矿石提锂面临资源枯竭和环境压力。盐湖卤水虽储量丰富，却因高Mg²⁺/Li⁺比（可达20:1）导致分离困难。现有商业纳滤（NF）膜如Desal DK等Li⁺/Mg²⁺选择性仅2.6-3.5，且存在渗透性与选择性的固有矛盾。针对这一挑战，阿尔伯塔大学团队在《Desalination》发表研究，通过阳离子纳米凝胶表面修饰策略，开发出兼具高选择性和高通量的新型分离膜。

研究采用自由基聚合法合成p(NIPAM-co-APMAH)纳米凝胶，通过EDC/NHS偶联将其共价接枝到聚酰胺（PA）薄膜复合（TFC）膜表面。结合密度泛函理论（DFT）计算和实验表征，系统分析了膜结构-性能关系。

【3.1 合成纳米凝胶表征】

冷冻电镜显示纳米凝胶水合粒径110±3.1 nm，XPS证实其含16.87%氮元素，zeta电位+19.4 mV。DFT计算表明其可提升膜片段静电势至0.211 a.u.（未修饰膜为-0.217 a.u.）。

【3.2 膜特性分析】

SEM显示M500膜表面均匀分布纳米凝胶颗粒，接触角从62.5°降至45.8°。XPS证实羧基消耗（O-C=O含量从2.58%降至0.57%），N 1s谱中-NH₃⁺信号从0.83%增至6.19%。

【3.3 分离性能】

在Li⁺/Mg²⁺=1:20的2000 ppm溶液中，M500膜实现Mg²⁺截留率94.55%和负Li⁺截留率（-69%），水通量54.3 L·m^?2·h^?1，选择性达31。DFT揭示Mg²⁺结合能从-252.43 kcal/mol减弱至-104.73 kcal/mol，Li⁺则从-150.09降至-26.09 kcal/mol。

该研究通过纳米凝胶的精确表面工程，首次实现NF膜Li⁺/Mg²⁺分离性能数量级提升。所创制的膜材料在单盐体系中对MgCl₂、CaCl₂截留率分别达92.2%和80%，且运行24小时性能稳定。这项工作为盐湖锂资源开发提供了颠覆性技术方案，其表面修饰策略可拓展至其他单价/多价离子分离体系。