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华中科技大学赵强教授《Adv. Funct. Mater.》:强电解质单体策略制备高性能镁/锂分离膜

高分子科学前沿

作者|高分子科学前沿 来源|高分子科学前沿(ID:Polymer-science)

锂是支撑玻璃、陶瓷、新能源等行业的重要资源。随着锂电池等新能源的快速发展,全球锂需求迅速增长。我国80%的可用锂储存于盐湖中,盐湖提锂是保障锂供给的重要途径。然而,相比于南美秘鲁等国家低镁/锂比的盐湖,我国盐湖中的镁/锂比高达数十甚至数百,采用传统方法从其中提锂的难度很大,目前只有极少部分低镁/锂比盐湖进行了开采。因此,作为全球最大的锂消耗国,我国也是锂进口大国,80%左右的锂依赖进口,存在不容忽视的卡脖子风险。纳滤是一种可有效分离一/二价离子的膜分离技术,在高镁/锂比分离领域表现出较大的潜力。然而,商品化纳滤膜直接应用于高镁/锂比混合液分离时,存在渗透性和分离效率较低的问题。面向我国盐湖镁/锂比高的分离难点,开发高性能纳滤膜材料,是提高锂资源自给率,是保障锂相关产业安全、稳定发展的重要课题。

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有鉴于此,华中科技大学化学与化工学院赵强教授课题组在前期利用强电解质季鏻盐制备高渗透性纳滤膜的基础上(Adv. Mater. 2020, 32, 2001383.),设计了一种双氨基强电解质分子DAIB,通过简易的表面改性法构建了高渗透通量的正电纳滤膜。改性膜能从高盐浓度(25.5g/L)和高镁锂比(50)的混合料液中有效分离镁锂离子,提高了提锂效率,兼具良好的长期稳定性。

作者首先通过红外、XPS等证实了DAIB分子“牢固”的共价接枝在膜表面。初步对单组分氯化镁和氯化锂的分离性能进行了探讨,聚乙烯亚胺-均苯三甲酰氯基膜经过DAIB改性后,膜通量提高约4倍。结合分子模拟发现DAIB改性后膜表面更加亲水,而内部与水分子的结合力下降,这种非均质结构提高了膜的渗透通量。

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作者进一步探讨了膜对氯化镁和氯化锂混合盐溶液的分离效果,通过固定氯化锂浓度(0.5 g/L)来逐步提高氯化镁浓度至10 g/L, 发现透过液中的镁锂比始终低于2。同时,虽然膜的水通量下降,锂的通量却逐渐增加。膜在20的镁锂比(10.5 g/L)进料液下仍能保持长期稳定的分离性能。

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最后,作者将镁锂比提高至50(盐浓度:25.5 g/L),采用两段纳滤的方式,将镁锂比降至0.85,对高浓度高镁锂比盐湖水表现出良好的分离性能。

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本文通过一步简单的表面改性构建了非均质结构的纳滤膜,实现了高通量纳滤膜的制备,该膜对高盐浓度高镁锂比的混合液表现出优异的分离效果,同时还具有良好的长期稳定性。这一成果发表在《Advanced Functional Materials》上,文章第一作者为华中科技大学化学与化工学院彭华文博士生,通讯作者为赵强教授。

参考文献:Peng H.W, Zhao Q*, A Nano-Heterogeneous Membrane for Efficient Separation of Lithium from High Magnesium/Lithium Ratio Brine, Adv. Funct. Mater., 2021, 2009430. DOI: 10.1002/adfm.202009430.

文章链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202009430

编者按:本文转载自微信公众号:高分子科学前沿(ID:Polymer-science)


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