太阳能驱动的多层膜技术实现了高选择性和节能的锂提取过程

《Journal of Membrane Science》：Solar-Driven Multilayer Membranes Enable High Selectivity and Energy-Efficient Lithium Extraction

本研究开发了一种基于太阳能蒸发驱动的浮纤复合膜锂提取系统，通过上层碳纳米管涂层增强吸光与蒸发效率，下层聚酰胺超薄膜实现选择性锂离子分离。系统在1g/L高盐卤水中实现9.1 mg/m2·h?1锂通量与5.2选择性，兼具抗污染与长周期运行能力，为绿色低碳锂资源开发提供新范式。

　　

刘高辉|李涵|方传杰|万凌书|朱丽萍

中国浙江省杭州市浙江大学高分子科学与工程系，教育部高分子合成与功能化重点实验室，邮编310058

摘要

盐湖卤水拥有丰富的锂资源，是全球锂供应的重要来源。然而，传统的锂提取技术往往面临高能耗和/或环境兼容性差的问题。本文开发了一种基于太阳能蒸发的高效、环保的锂提取系统。该系统的核心是一种多层蒸发-分离浮纤维复合膜。上层蒸发层具有95%的宽谱吸收率和94.8%的蒸发效率（在1个太阳光强度下）；下层离子分离层由超薄（约57纳米）的聚酰胺薄膜组成，其孔径可调。这两层紧密耦合，太阳能蒸发产生的负压为锂离子（Li⁺）在聚酰胺薄膜中的传输提供了驱动力。该系统在盐度高达1克/升的条件下，实现了9.1毫克/平方米·小时的Li⁺通量和5.2的Li⁺选择性，表现出优异的抗污染能力和操作稳定性。这项工作为从盐湖中绿色、低碳地提取锂资源提供了一条创新的技术途径。

引言

随着全球能源结构快速向更清洁、低碳的替代品转型，锂作为一种战略性的关键金属资源，在高效储能系统中发挥着越来越重要的作用[1]、[2]、[3]。目前，锂资源主要存在于两种形式中：固体矿石和盐湖卤水[4]、[5]。与耗能高且环境影响大的矿石锂提取相比，从盐湖卤水中提取锂具有显著优势，因为盐湖卤水资源丰富且开采成本相对较低，这使其成为确保未来锂供应可持续性的主要途径[6]、[7]。然而，盐湖卤水的成分极其复杂，尤其是镁离子/锂离子（Mg²⁺/Li⁺）比例较高，这对锂的选择性分离和高效提取带来了严峻挑战[8]、[9]、[10]。为了解决这一挑战，人们开发了多种锂提取技术[4]、[11]、[12]。沉淀法虽然工艺成熟，但选择性有限、试剂消耗量大且容易产生大量废渣[13]、[14]、[15]；溶剂萃取涉及复杂的程序，并且有机溶剂可能带来环境风险[16]、[17]、[18]；吸附法虽然选择性有所提高，但其吸附能力有限，解吸过程繁琐，并且在高镁环境中选择性会显著下降[19]、[20]、[21]。以纳滤（NF）和反渗透为代表的压力驱动膜分离技术因具有可调的分离精度和连续操作潜力而受到关注[22]、[23]、[24]、[25]，但这些膜过程本质上依赖外部高压泵来维持跨膜压差，导致系统能耗较高。此外，在处理高盐度、高硬度的卤水时，膜表面容易发生严重的浓度极化和无机结垢，从而显著缩短使用寿命。因此，迫切需要开发一种能耗低、选择性高且能适应恶劣环境的新型锂提取技术，以实现锂资源的可持续和绿色发展。

在这种背景下，利用自然界最丰富的可持续能源——太阳能——来驱动分离过程，为实现接近零能耗的锂提取提供了一种革命性的方法[26]、[27]、[28]。近年来，界面蒸发技术受到了广泛关注[29]。该技术将光热材料置于气液界面，有效将吸收的太阳能转化为热能，加热极薄的水层，从而大幅提高蒸发效率[30]、[31]、[32]、[33]。更重要的是，这种蒸发过程在界面产生持续的蒸汽压差，可作为内在的自驱动力[26]、[34]、[35]。如果这种自驱动力能与具有离子筛选功能的膜巧妙结合，就有可能构建一个仅以阳光为能源输入的集成系统，同时完成水传输、溶质浓缩和选择性离子分离。这一概念表明，膜技术有可能摆脱对泵的依赖，朝着真正低能耗甚至无能耗的操作方向发展。最近在这一新兴领域的进展已经得到了系统总结，强调了将光热材料与膜分离过程结合以实现可持续锂回收的潜力[36]、[37]。

本文报道了一种基于太阳能蒸发的纤维复合膜，用于从高Mg²⁺/Li⁺比例的盐湖卤水中高效、连续、低能耗地提取Li⁺。该复合膜由碳纳米管（CNT）改性的超亲水性非织造布和超薄聚酰胺（PA）薄膜组成，分别负责蒸发和离子分离。上层蒸发产生的负压直接作为下层膜分离的驱动力，巧妙地替代了外部机械压力。此外，通过模块化浮选装置设计和实时提取富锂溶液的策略，有效避免了盐结晶在膜表面的污染，确保了系统的长期运行稳定性。这项工作不仅提供了一种新型的、零碳排放、低能耗的盐湖锂提取技术原型，还为开发下一代自驱动膜分离系统提供了重要的材料设计和装置构建思路。

材料

粘胶非织造布（80克/平方米）购自中国昆山周市新达非织造布厂。碳纳米管（CNT）水分散液（JCWCNDMC-2，5.0重量%）由成都佳彩科技有限公司提供。细菌纳米纤维素（BNC）分散液（0.8重量%）来自中国桂林启宏科技有限公司。哌嗪（PIP，99%）、聚γ-谷氨酸（γ-PGA，分子量约50,000-100,000）、三甲基氯（TMC，98%）、正己烷（GR）和聚乙二醇（PEG）也用于制备。

用于锂提取的纤维复合膜

本研究构建了一个基于太阳能蒸发的浮选模块系统用于锂提取。该系统由多个独立单元通过管道连接而成，形成一个分布式锂提取网络，可以连续漂浮在盐湖卤水上（图1a）。在太阳光照射下，各模块协同工作，将蒸发与膜分离相结合，从而高效、选择性地从复杂的卤水中提取Li⁺。

结论

总结来说，我们开发了一种基于太阳能蒸发的浮纤维复合膜系统，用于从高Mg²⁺/Li⁺比例的盐湖卤水中实现低能耗、连续且高选择性的Li⁺提取。该系统的核心是蒸发-分离膜结构。上层通过涂覆碳纳米管（CNT）制成，具有宽谱吸收和高蒸发效率；下层是具有可调孔径的超薄聚酰胺（PA）选择性层。

CRediT作者贡献声明

万凌书：验证、监督。朱丽萍：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取。刘高辉：撰写 – 原稿撰写、可视化、验证、方法论、研究、资金获取、数据管理、概念构思。李涵：撰写 – 审稿与编辑、验证。方传杰：撰写 – 审稿与编辑、监督、方法论、资金获取

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

数据可用性

数据可应要求提供。

致谢

我们感谢浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（2024C03134和2024C03132）、国家自然科学基金（52373218和52503050）、宁波科技创新2025重大项目（2023Z102）以及中国博士后科学基金（2025M780641）的财政支持。