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中國科大提出“離子精餾”新單元操作，實現高鎂鋰比鹽湖鹵水直接提鋰
近日，中國科學技術大學徐銅文教授團隊在高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰領域取得重要進展。啟發於傳統的多級塔板精餾機製與層析色譜分離機製，針對化工特種分離領域複雜物料分離難題，團隊原創性地提出一種“離子精餾”概念，並首次應用於高鎂鋰比鹽湖提鋰。離子精餾技術極大地提升了特種物料間的分離效率，由鹽湖鹵水一步製取超電池級純度的鋰產品，解決了高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰的技術難題。同時，該技術對不同溶質體係的鹽湖鹵水也具有廣泛適用性，並有望實現鹵水、海水、礦物中有價物質，如鉀、銣、銫、鎂、硼等的精細化篩分，推動目標物料的高值化利用。該研究成果以Ion-“distillation” for isolating lithium from lake brine為題，以快訊（Letter）形式發表於《美國化學工程會誌》（AIChE Journal. 2022, e17710. DOI: 10.1002/aic.17710）期刊上，該欄目主要報道化工領域具有前瞻性以及有潛在重大影響的工作。
鋰是化學儲能鋰電池的重要原料，鋰電是解決傳統能源危機，並推動解決‘雙碳’問題的重要手段。我國鹽湖鹵水具有高鎂鋰比的特點，而鋰鎂高效分離仍是高鎂鋰比鹽湖提鋰過程的突出問題，這也直接導致我國電池級的鋰產品仍依賴進口，鹽湖提鋰逐漸成為保障我國鋰資源安全的重要課題。
針對高鎂鋰比鹽湖鹵水鋰鎂分離問題，團隊基於前期工作積累，聚焦化工特種分離應用前沿，另辟蹊徑，啟發於傳統的塔板精餾與色譜分離技術，原創性的提出了“離子精餾”鹽湖提鋰技術。傳統的電滲析係統采用陰/陽離子選擇膜間隔排布，兩種離子膜構成一個膜單元，離子篩分性能受限於單張離子選擇膜。“離子精餾”打破傳統電滲析單元內部的功能隔膜間隔排布方式，基於“同類同側”原則，將多個同類型膜並列排布，並在電滲析單元內集成，設計理念如圖1。利用特種離子在堆疊離子膜中的多級篩分機製及離子選擇性的級數放大效應，實現鋰離子由高鎂鋰比鹽湖鹵水的精準分離。每張離子膜在離子精餾腔室的功能可視作精餾塔中的塔板，鋰鎂離子在堆疊的離子選擇膜間遷移，由於鋰離子與鎂離子在離子膜相存在遷移速率差異，基於色譜分離層析機製，在電場力驅動下實現鋰鎂離子的電吹脫分離。
圖1 離子精餾技術設計理念
實驗構建一級至四級的離子精餾係統，並針對高鎂鋰的鹽湖鹵水（青海東台吉乃爾鹽湖，鎂鋰比＞35），開展了研究。結果表明對於一級至四級離子精餾過程，鋰鎂的選擇性由30（一級）逐級提升至1104（二級）、3297（三級）與26177（四級），二級與四級離子精餾獲得的鋰產品純度為99.69%與99.98%，分別超過了工業級與電池級標準。最終從青海東台吉乃爾鹽湖鹵水中得到的碳酸鋰與磷酸鋰產品如圖2所示。作為一種新型化工單元操作，離子精餾的分離效果顯著優於目前文獻中所報道的各類先進功能膜材料以及膜分離過程（如圖3所示）。
圖2通過離子精餾處理後得到的碳酸鋰與磷酸鋰樣品-
圖3 離子精餾技術與傳統膜分離技術及先進功能膜材料的先進性對比
離子精餾技術有助於解決傳統膜分離技術在鹽湖提鋰產業中存在的問題，保障我國鋰資源安全。同時，離子精餾作為一個平台技術，集成了平衡分離（選擇性高）與速率分離過程（運行成本低）的特色優勢，將為鋰同位素分離、稀土分離、海水精製、精細化學品分離、生物製藥等特種分離場景提供有效解決方案，助力相關過程產業技術升級，特別是化工特種分離技術革新。相關技術已經申請了發明專利（CN202110868560.9；CN202110868710.6；CN202110868737.5；CN202111026979.6；CN202110980248.9；CN202110980229.6；）
中國科學技術大學蔣晨嘯副研究員與陳秉倫博士後為該工作的共同第一作者，徐銅文教授為通訊作者。本工作得到了科技部國家重點研發計劃“堿性離子交換膜製備技術及應用”項目，國家自然科學基金青年項目，以及安徽省科技重大專項項目支持。
（來源：中國科學技術大學）
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