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(fā)于傳統(tǒng)的多級塔板精餾機制與層析色譜分離機制，針對化工特種分離領域復雜物料分離難題， 團隊原創(chuàng)性地提出一種“離子精餾”概念，并首次應用于高鎂鋰比鹽湖提鋰。
離子精餾技術極大地提升了特種物料間的分離效率，由鹽湖鹵水一步制取超電池級純度的 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系的鹽湖鹵水 也具有廣泛適用性，并有望實現鹵水、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(fā)表于《美國化學工程會志》（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(tǒng)能源危機，并推動解決‘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，團隊基于前期工作積累，聚焦化工特種分離應用前 沿，另辟蹊徑，啟發(fā)于傳統(tǒng)的塔板精餾與色譜分離技術，原創(chuàng)性的提出了“離子精餾”鹽湖提 鋰技術。傳統(tǒng)的電滲析系統(tǒng)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 子篩分性能受限于單張離子選擇膜。“離子精餾”打破傳統(tǒng)電滲析單元內部的功能隔膜間隔排 布方式，基于“同類同側”原則，將多個同類型膜并列排布，并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制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，由于鋰離子與鎂離子在離子膜相存在遷移速率差 異，基于色譜分離層析機制，在電場力驅動下實現鋰鎂離子的電吹脫分離。
實驗構建一級至四級的離子精餾系統(tǒng)，并針對高鎂鋰的鹽湖鹵水（青海東臺吉乃爾鹽湖， 鎂鋰比＞35），開展了研究。結果表明對于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(yè)級與電池級標準。最終從青海東臺吉乃爾鹽 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(yōu)于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）。
離子精餾技術有助于解決傳統(tǒng)膜分離技術在鹽湖提鋰產業(yè)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臺技術，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(yōu)勢，將為鋰同位素分離、稀土分離、海水精制、精細化學品分離、生物制 藥等特種分離場景提供有效解決方案，助力相關過程產業(yè)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(fā)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后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(fā)計劃“堿性離子交換膜制備技術及應用”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。
全文鏈接：https://aiche.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aic.17710
Abstract
Lithium demands increase dramatically and make it highly attractive to develop advanced ion separation technology/material. However, high Mg2+/Li+ ratio impedes the extraction due to the difficulties in separation of the two ions. Here, we propose an ion-“distillation” technology based on electro-membrane stacking for the extraction of Li+ from lake brine (Mg2+/Li+ ratio: 31.58). This technology employs commercially available monovalent ion-selective membranes, and ions are driven by electric. Using the four-stage ion-“distillation” technology, selectivity values of 26,177 and 27,000 are achieved between Li+ and Mg2+ and between Cl− and SO4 2−, respectively. The electro-stripping mechanism when monovalent ion migrating across the membranes probably magnitude the Li+ selectivity, which is higher than the other reported values in the literature for membrane processes, and the purity of the final LiCl product is greater than battery grade (99.95%). The proposed process can potentially be applied in efficient ion fractionation and special separations.
