中國科大提出“離子精餾”新單元操作 實(shí)現(xiàn)高鎂鋰比鹽湖鹵水直接提鋰

近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團(tuán)隊(duì)在高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰領(lǐng)域取得重要進(jìn)展。

啟發(fā)于傳統(tǒng)的多級(jí)塔板精餾機(jī)制與層析色譜分離機(jī)制，針對(duì)化工特種分離領(lǐng)域復(fù)雜物料分離難題，團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性地提出一種“離子精餾”概念，并首次應(yīng)用于高鎂鋰比鹽湖提鋰。

離子精餾技術(shù)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(jí)純度的鋰產(chǎn)品，解決了高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰的技術(shù)難題。

同時(shí)，該技術(shù)對(duì)不同溶質(zhì)體系的鹽湖鹵水也具有廣泛適用性，并有望實(shí)現(xiàn)鹵水、海水、礦物中有價(jià)物質(zhì)，如鉀、銣、銫、鎂、硼等的精細(xì)化篩分，推動(dòng)目標(biāo)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(xué)工程會(huì)志》（AIChE Journal. 2022, e17710. DOI: 10.1002/aic.17710）期刊上，該欄目主要報(bào)道化工領(lǐng)域具有前瞻性以及有潛在重大影響的工作。

鋰是化學(xué)儲(chǔ)能鋰電池的重要原料，鋰電是解決傳統(tǒng)能源危機(jī)，并推動(dòng)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(diǎn)，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(dǎo)致我國電池級(jí)的鋰產(chǎn)品仍依賴進(jìn)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(duì)高鎂鋰比鹽湖鹵水鋰鎂分離問題，團(tuán)隊(duì)基于前期工作積累，聚焦化工特種分離應(yīng)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(shù)，原創(chuàng)性的提出了“離子精餾”鹽湖提鋰技術(shù)。

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(gòu)成一個(gè)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(nèi)部的功能隔膜間隔排布方式，基于“同類同側(cè)”原則，將多個(gè)同類型膜并列排布，并在電滲析單元內(nèi)集成，設(shè)計(jì)理念如圖1。

利用特種離子在堆疊離子膜中的多級(jí)篩分機(jī)制及離子選擇性的級(jí)數(shù)放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)鋰離子由高鎂鋰比鹽湖鹵水的精準(zhǔn)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(jī)制，在電場力驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)鋰鎂離子的電吹脫分離。

實(shí)驗(yàn)構(gòu)建一級(jí)至四級(jí)的離子精餾系統(tǒng)，并針對(duì)高鎂鋰的鹽湖鹵水（青海東臺(tái)吉乃爾鹽湖，鎂鋰比＞35），開展了研究。結(jié)果表明對(duì)于一級(jí)至四級(jí)離子精餾過程，鋰鎂的選擇性由30（一級(jí)）逐級(jí)提升至1104（二級(jí)）、3297（三級(jí)）與26177（四級(jí)），二級(jí)與四級(jí)離子精餾獲得的鋰產(chǎn)品純度為99.69%與99.98%，分別超過了工業(yè)級(jí)與電池級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

最終從青海東臺(tái)吉乃爾鹽湖鹵水中得到的碳酸鋰與磷酸鋰產(chǎn)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(xiàn)中所報(bào)道的各類先進(jìn)功能膜材料以及膜分離過程（如圖3所示）。