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        “離子精餾”技術(shù)直接從鹽湖提鋰
        發(fā)布時(shí)間:2023-02-16

        近日,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團隊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(lǐng)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(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)現鹵水、海水、礦物中有價(jià)物質(zhì),如鉀、銣、銫、鎂、硼等的精 細化篩分,推動(dòng)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(xué)工程會(huì )志》(AIChE Journal. 2022, e17710. DOI: 10.1002/aic.17710)期刊上,該欄目主要報道化工領(lǐng)域具有 前瞻性以及有潛在重大影響的工作。

        鋰是化學(xué)儲能鋰電池的重要原料,鋰電是解決傳統能源危機,并推動(dòng)解決‘雙碳’問(wèn)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(guò)程的 突出問(wèn)題,這也直接導致我國電池級的鋰產(chǎn)品仍依賴(lài)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。

        針對高鎂鋰比鹽湖鹵水鋰鎂分離問(wèn)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)。傳統的電滲析系統采用陰/陽(yáng)離子選擇膜間隔排布,兩種離子膜構成一個(gè)膜單元,離 子篩分性能受限于單張離子選擇膜。“離子精餾”打破傳統電滲析單元內部的功能隔膜間隔排 布方式,基于“同類(lèi)同側”原則,將多個(gè)同類(lèi)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(shí)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(chǎng)力驅動(dòng)下實(shí)現鋰鎂離子的電吹脫分離。

        實(shí)驗構建一級至四級的離子精餾系統,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(kāi)展了研究。結果表明對于一級至四級離子精餾過(guò)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(chǎn)品純度為 99.69%與 99.98%,分別超過(guò)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(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(zhù)優(yōu)于目前文獻中所報道的各類(lèi)先進(jìn)功能膜材料以及膜分離過(guò)程(如圖 3 所示)。

        離子精餾技術(shù)有助于解決傳統膜分離技術(shù)在鹽湖提鋰產(chǎn)業(yè)中存在的問(wèn)題,保障我國鋰資源 安全。同時(shí),離子精餾作為一個(gè)平臺技術(shù),集成了平衡分離(選擇性高)與速率分離過(guò)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(xué)品分離、生物制 藥等特種分離場(chǎng)景提供有效解決方案,助力相關(guān)過(guò)程產(chǎn)業(yè)技術(shù)升級,特別是化工特種分離技術(shù) 革新。相關(guān)技術(shù)已經(jīng)申請了發(fā)明專(zhuān)利( CN202110868560.9 ; CN202110868710.6 ; CN202110868737.5;CN202111026979.6;CN202110980248.9;CN202110980229.6;)

        中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(diǎn)研發(fā)計劃“堿性離子交換膜制備技術(shù)及應用”項目, 國家自然科學(xué)基金青年項目,以及安徽省科技重大專(zhuān)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.

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