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太原理工大学|邓雨晨,高凤凤,郝晓刚,等:船闸式LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜系统高效选择性提取锂离子

  • 2026-03-26 17:57:10
太原理工大学|邓雨晨,高凤凤,郝晓刚,等:船闸式LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜系统高效选择性提取锂离子

船闸式LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜系统高效选择性提取锂离子

邓雨晨1王熠1高凤凤1,2,3,4郝晓刚1,2,3仙运昌4赵瑞4

1.太原理工大学化学与化工学院,山西 太原 030024;2.元锂(杭州)分离技术有限公司,浙江 杭州 311607;3.山西科化技术服务有限公司,山西 太原 030000;4.山西阳煤化工机械(集团)有限公司,山西 太原 030032 )

DOI:10.11949/0438-1157.20250876

摘 要针对中国盐湖卤水中镁锂比高、品位低导致的锂提取难题,本研究开发了一种高效、选择性强的船闸式离子选择性渗透(SL-ISP)系统,实现了锂资源的高效开采。以锂铝铁层状双金属氢氧化物(LiAlFe-LDHs)作为活性物质,聚偏二氟乙烯(PVDF)为黏结剂,通过流延成型法制备了LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜,并用于SL-ISP系统实现了Li+的选择性定向提取。该复合膜制备方法简单高效,SL-ISP系统操作简单、能耗低且易于工业化生产。结果表明,在等物质的量浓度(CMg=CLi=0.05 mol·L-1)下,LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的Li+通量为0.039 mol·m-2·h-1,Li+/Mg2+分离因子达到了13.44。在模拟卤水中进行了Li+的选择性渗透实验,其Li+渗透通量为0.036 mol·m-2·h-1,Li+/Mg2+、Li+/K+、Li+/Na+和Li+/Ca2+分离因子分别达到了164.28、98.49、120.09和47.52。因此,将LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜应用于SL-ISP系统具有良好的工业应用前景。
关键词船闸式离子选择渗透Li+提取Li/Mg分离LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜

引用本文:邓雨晨, 王熠, 高凤凤, 郝晓刚, 仙运昌, 赵瑞. 船闸式LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜系统高效选择性提取锂离子[J]. 化工学报, 2026, 77(1): 470-479(DENG Yuchen, WANG Yi, GAO Fengfeng, HAO Xiaogang, XIAN Yunchang, ZHAO Rui. Efficient and selective Li⁺ extraction by ship-lock LiAlFe-LDHs/PVDF membrane system[J]. CIESC Journal, 2026, 77(1): 470-479)

引 言

锂作为一种战略资源,因其独特的物理化学性质,在电池、玻璃陶瓷、润滑油和核能等领域具有广泛的应用[1]。当前,锂资源的开发利用主要集中在废旧电池、盐湖卤水、锂矿资源及海水这四大领域[2-4]。其中,盐湖卤水因其锂储量大(约占总储量的58%)、开采成本低等特点成为具有明显优势的锂资源,因此,开发高效的盐湖提锂技术就显得尤为重要[3,5-6]
在中国的卤水资源中,Li+通常与其他金属离子共存,特别是离子半径相近且含量较高的Mg2+,这导致盐湖卤水锂资源的高效提取面临挑战。传统的盐湖提锂方法包括沉淀法[7]、溶剂萃取法[8-10]、膜分离法[11]、吸附法[12-13]等,且均已实现产业化应用。随着盐湖锂资源的不断开发,卤水品味进一步下降,传统的提锂方法分离难度逐渐提高。因此,针对盐湖卤水中低浓度的锂离子,开发一种环保且高效的锂提取技术具有重要意义。
对此,本课题组开发了一种新型的船闸式离子选择渗透技术(SL-ISP)。SL-ISP系统由两个腔室组成,两个腔室之间通过离子选择性渗透膜(ISPM)隔开,通过调控原料液和接收液的液位使得目标离子以“船闸”方式通过渗透膜运输,实现了分步吸附-脱附的过程,避免了原料液与接收液直接接触,从而显著提高分离效率和选择性。同时基于该系统中ISPM对目标离子的筛分识别机制,可实现目标离子的选择性定向提取。SL-ISP技术具有较低的能耗及简便的操作工艺,具有较好的工业应用前景。
在SL-ISP系统中,ISPM作为核心组件,其特异性识别功能直接决定了目标离子(Li⁺)的选择性提取效率。层状双金属氢氧化物(layered double hydroxides,LDHs)是一种具有二维纳米结构的层状材料,其层状晶体结构高度可调,具有易合成、成本低、稳定性好、比表面积大以及较高的阴离子交换容量等优点,在催化、水处理、超级电容器等领域表现出优异的性能[14-18]。其中,LiAl-LDHs由带正电的Al(OH)3层板和带负电的层间阴离子以及水分子组成,由于其记忆效应和尺寸效应,其脱附后产生的Li+空位可以用作Li+的活性吸附位点[19]。Li等[20]采用水热法制备的粉末状LiAl-LDHs在盐湖卤水中表现出14.5 mg⋅g-1的Li+吸附量,证实了其具有较好的提锂性能。然而,在连续的循环应用中,不可避免的过量Li+脱嵌使得LiAl-LDHs结构崩溃,导致了吸附性能的下降,这限制了其在锂提取工业中的发展。对此,研究人员通过元素掺杂来改变LiAl-LDHs的层间距和表面电荷,从而提高吸附性能和稳定性[21]。Li等[22]提出了一种通过掺杂Fe3+制备锂铝铁层状双氢氧化物(LiAlFe-LDHs)的方法,模拟结果表明,用Fe3+取代部分Al3+可以提高层板的结合能。实验结果表明,LiAlFe-LDHs的Li+吸附容量可达11.3 mg⋅g-1,并表现出优异的循环稳定性。因此,LiAlFe-LDHs是一种结构稳定且高性能的锂吸附剂,具有广阔的开发潜力。
本文采用水热法合成LiAlFe-LDHs并将LiAlFe-LDHs和聚偏二氟乙烯(PVDF)均匀分散于N-甲基吡咯烷酮(NMP)中,通过流延成型法和预脱附工艺制备锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜应用于SL-ISP系统。研究锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的结构与组成,并阐明吸附机制。考察溶液浓度、吸附-脱附脉冲时间宽度、流量和膜成分配比对渗透性能的影响。此外,通过10次循环实验评估SL-ISP系统在锂离子提取过程的循环稳定性。

1 实验材料和方法

1.1 材料

六水氯化铝(AlCl3⋅6H2O)、氯化锂(LiCl)、六水氯化铁(FeCl3⋅6H2O)、尿素、氯化钠(NaCl),上海麦克林生化科技有限公司;六水氯化镁(MgCl2⋅6H2O)、氯化钙(CaCl2),天津天力化学试剂有限公司;氯化钾(KCl),天津市致远化学试剂有限公司;无水乙醇,天津光复科技发展有限公司;N-甲基吡咯烷酮(NMP),天津市北辰区方正试剂厂;聚偏二氟乙烯(PVDF),太原市力源锂业中心;实验所用试剂均为分析纯。

1.2 LiAlFe-LDHs的合成

采用水热法制备了LiAlFe LDHs[20,22],制备过程如图1所示。将四种化学物质LiCl(0.15 mol)、AlCl3⋅6H2O(0.045 mol)、FeCl3⋅6H2O(0.005 mol)、尿素(0.5 mol)(Li∶Al∶Fe∶尿素摩尔比=30∶9∶1∶100)和75 ml去离子水混合,剧烈搅拌形成溶液。于90℃状态下加热反应并保持30 h,转速保持500 r/min。冷却至室温后再陈化24 h,收集所得产物,并用去离子水洗涤三次。在45℃下真空干燥18 h,即得LiAlFe-LDHs。
图1锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的制备流程示意图Fig.1Schematic illustration of the fabrication of the Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane

1.3 锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的制备

采用流延成型法制备LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜。首先将350 mg PVDF溶解在9 ml NMP溶液中,再加入1 ml无水乙醇和650 mg LiAlFe-LDHs粉末,充分搅拌24 h。将混合溶液均匀涂覆于玻璃板上,再置于80℃下烘干10 h,烘干后从玻璃板上直接揭下,即得到LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜。其中与空气接触侧为复合膜表面(记为LiAlFe-LDHs/PVDF-T),与玻璃板接触侧记为复合膜背面(记为LiAlFe-LDHs/PVDF-B)。用去离子水对LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜进行Li+的预脱,所用去离子水的质量与复合膜中LiAlFe-LDHs的质量比为100∶1,预脱时间为60 min,预脱温度为40℃,在室温下干燥24 h,得到锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜。其制备过程如图1所示。

1.4 吸脱附与渗透实验

将LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜组装于SL-ISP系统中进行实验,其中,锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B和锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T分别与原料液侧和接收液侧接触。吸附-脱附实验采用等物质的量浓度(CMg=CLi=0.05 mol·L-1)的混合溶液作为原料液(15 ml),以15 ml去离子水作为接收液。在模拟卤水(Li+、Mg2+、K+、Ca2+和Na+)中进行了渗透实验。LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的吸附-脱附量(QaQd)通过式(1)式(2)计算得到:
(1)
(2)
式中,CtC0分别为t时刻溶液中Li+的浓度和初始浓度,mg·L-1V为溶液的体积,L;m为LiAlFe-LDHs的质量,g。离子透过复合膜的通量J通过式(3)计算:
(3)
式中,C1C2分别为接收液中对应阳离子的初始浓度和最终浓度,mol·L-1; V为接收室中接收液的体积,L;t为实验持续时间,h; A为实际用于渗透的膜面积,为6.75 cm2αD/E是两种不同阳离子之间的分离因子,按式(4)计算:
(4)
式中,JDJE分别是两种不同阳离子的渗透通量,mol·m-2·h-1CECD分别是原料液中的不同阳离子的初始浓度,mol·L-1

1.5 分析方法

使用扫描电子显微镜(SEM,JSM-6700F,Japan)对薄膜的微观结构进行表征。通过X射线衍射仪(XRD,SmartLab SE,Japan)检测薄膜的晶体结构。用原子吸收分光光度计(AAS,TAS-990,China)测量实验过程中溶液中的离子浓度变化。

2 实验结果与讨论

2.1 形貌和结构

2.1.1 LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的微观结构
图2通过SEM表征了LiAlFe-LDHs、PVDF、LiAlFe-LDHs/PVDF-T、锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T、锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B以及锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜横截面的微观结构。图2(a)表明,LiAlFe-LDHs呈现典型的二维纳米片结构,图2(b)展示的PVDF则由均匀的纳米球组成。图2(c)、(d)分别为LiAlFe-LDHs/PVDF-T和锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T的SEM图像,可以看到由于PVDF的结合能力,LiAlFe-LDHs纳米片与PVDF混合均匀,形成了多孔网络结构,为离子传输提供了通道。图2(e)为锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B的SEM图像,可以看出由于其与玻璃板直接接触,所以表面较为平整。图2(f)显示锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的厚度约为100.2 μm。
图2LiAlFe-LDHs(a)、PVDF粉末(b)、LiAlFe-LDHs/PVDF-T(c)、锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T(d)、锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B(e)和锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的横截面(f)的SEM图像Fig.2SEM images of LiAlFe-LDHs (a), PVDF powder (b), LiAlFe-LDHs/PVDF-T composite membrane (c), Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF-T (d), Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF-B (e) and the cross-section of the Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF composite membranes (f)
2.1.2 LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的XRD与亲疏水性分析
采用XRD分析了LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜以及锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的晶体结构。如图3(a)所示,在2θ为11.48°、23.19°和35.88°处的强衍射峰分别对应于LiAl-LDHs的(002)、(004)和(112)晶面,并未发现其他突出的杂质峰。这与LiAl-LDHs的标准卡片(PDF#37-0728)匹配良好,其特征衍射峰与文献报道的一致[23]。与LiAl-LDHs的谱图相比,LiAlFe-LDHs的谱图没有显著变化。这归因于Fe3+在结构中占据与Al3+相同的八面体位置。Fe3+和Al3+具有相似的离子半径(Fe3+:0.55 Å,Al3+:0.535 Å,1 Å=0.1 nm)。这表明,掺杂Fe3+后,吸附剂的主要结构保持不变[22,24]。在脱附后可以看出两者的衍射峰强度以及位置基本吻合,这说明在脱附后LiAlFe-LDHs的晶体结构没有发生明显变化。如图3(b)所示,由于制备过程中界面效应和溶剂挥发的差异,膜两面表现出不同的亲疏水性。与玻璃板接触一侧受到玻璃板的约束使得水的渗透较慢,导致疏水的PVDF分子链在界面处优先形成致密的结构,导致表面较为平整且呈疏水性,接触角约91°。与空气接触侧由于水的快速渗入,形成了多孔网络结构,粗糙度有所提升,且接触角降至67°,与图2(d)、(e)相对应。锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B为疏水表面,朝向原料室,原料液中的离子在跨膜传输时需经历脱水过程,该过程能有效筛选并优先让目标离子嵌入,从而实现选择性分离。朝向接收室的锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T层为亲水表面,为目标离子提供了快速再水化通道,确保其能高效释放并扩散至接收室中。这种结构设计既保证了膜的机械强度,又提供了充足的离子传输通道。
图3(a)LiAlFe-LDHs/PVDF和锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的XRD谱图;(b)锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-T与锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF-B的接触角Fig.3(a) XRD patterns of LiAlFe-LDHs/PVDF and Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF composite membranes; (b) Contact angles of the Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF-T and Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF-B

2.2 SL-ISP系统的离子分离机制

SL-ISP系统的离子渗透机理及装置示意图如图4所示。由于记忆效应和尺寸效应,LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜产生了对Li+具有选择性的锂离子阱[25-27]。在吸附过程中Li+从原料液中迁移至LiAlFe-LDHs层间,再由层间跳跃至层板的锂离子阱中。反之,在脱附过程中,Li+将由层板的锂离子阱跳跃至层间,再由层间迁移至接收液中。并且在吸附-脱附过程中Cl-作为平衡离子也会被置入与释放,不同的是阴离子只会位于LiAlFe-LDHs层间以保持电中性[28-29]。在这一过程中,SL-ISP系统也起到了关键的作用,通过调控原料液和接收液的液位,使得吸附过程与脱附过程分步进行。在吸附过程中,将原料液泵入原料室并使接收室溶液排空,LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜只与原料液直接接触,再通过复合膜的特异性识别实现对原料液Li+的选择性提取。经过清洗,在复合膜表面残留的干扰离子被洗脱,而复合膜内的Li+则保留在膜中。脱附过程中,复合膜则只与接收液接触,Li+则会由于浓差扩散迁移至接收液。在这一过程中,通过调控原料室和接收室液位,避免了原料液与接收液同时与复合膜的接触,减少了干扰离子的渗漏,从而实现了Li+的选择性跨膜传输[30]
图4锂离子阱LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在SL-ISP系统中提取Li+的示意图和机理图Fig. 4Schematic illustration and mechanism diagram of Li+ extraction by the Li+-trap LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane in the SL-ISP system

2.3 LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜对Li+的分离性能

2.3.1 LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的吸附-脱附性能
为研究LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的吸附-脱附性能,首先考察不同脱附液浓度(0、20、40和60 mg·L-1 Li+)对Li+脱附的影响。如5(a)所示,在不同的脱附液浓度下均表现出了相似的脱附量变化曲线,可以看出复合膜的脱附量随着脱附液浓度的升高而逐渐降低。这一现象可归因于浓度扩散,脱附液浓度增加导致化学势差减小,从而降低了Li⁺的脱附驱动力。图5(b)显示出在不同脱附液浓度下的脱附行为主要发生在前40 min,之后逐渐趋于稳定,表明膜材料具有快速的离子传递性能。
图5LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在不同脱附液浓度下的脱附曲线(a)、脱附速率变化曲线(b);不同初始浓度下对Li+的吸附曲线(c)、吸附速率变化曲线(d)(脱附温度:40℃)Fig.5Desorption curves (a) and variation curves of desorption rate (b) of LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane at different desorption solution concentrations; Adsorption curves (c)
在不同初始浓度(0.02、0.03、0.04和0.05 mol∙L-1 LiCl)进行了吸附性能测试。不同初始浓度下的吸附量如图5(c)所示,可以看出吸附量随着初始浓度的升高而逐渐升高,这是因为初始浓度的升高增强了Li+在溶液中的浓差扩散,促进了LiAlFe-LDHs的吸附过程,从而提高了吸附容量。另外,如图5(d)所示,吸附过程也主要发生在前40 min内,其速率变化趋势具有良好的一致性。这种相似的吸附-脱附性能证实了复合膜具有可逆的Li⁺嵌入/脱嵌特性,为其在SL-ISP系统中的循环应用提供了重要依据。基于上述特征,后续实验选择5~30 min作为吸附-脱附脉冲时间。
2.3.2 操作参数对LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的分离性能的影响
为了确定最佳的膜组分,探究了不同膜配比下LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的渗透性能。由图6(a)可知,当PVDF配比从30%增加到45%时,两种离子的渗透通量均呈现下降的趋势。当PVDF配比为35%时其渗透性能最佳,这是因为当PVDF含量增加时,膜中的吸附位点会有所降低。PVDF含量的增加也会降低复合膜的亲水性从而导致离子传质阻力的增加,进而导致离子渗透通量的降低。而当PVDF配比低于35%时,复合膜的机械稳定性较差,其分离效率难以得到保证,所以最终确定PVDF配比为35%。
图6SL-ISP系统中膜配比(a)、流量(b)和吸附-脱附脉冲宽度(c)对LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜分离性能的影响和LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的循环稳定性(d)Fig.6The effect of membrane formulation (a), flow rate (b) and adsorption/desorption pulse width (c) on the separation performance of the LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane and the cyclic stability of the LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane in the SL-ISP system (d)
其次,探究了不同流量下LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的渗透性能。由图6(b)可知,当流量从5 ml·min-1增加到20 ml·min-1时,Li+的渗透通量与分离因子也逐渐增大。其原因是流量的提高有助于减小流体边界层厚度,从而加速Li+由液相到膜相的传质。当流量超过20 ml·min⁻¹后性能提升趋于平缓,表明此时传质过程已由膜内扩散控制。因此,考虑到经济效应,确定流量为20 ml·min-1
合适的吸附-脱附脉冲时间宽度能够充分利用LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的渗透性能。因此,在等物质的量浓度(CMg=CLi=0.05 mol·L-1)下进行了渗透性能测试。如图6(c)所示,随着吸附-脱附脉冲时间的调整,Li+渗透性能在15/20 min时达到最佳,Li+渗透通量为0.039 mol·m-2·h-1,Li+/Mg2+分离因子为13.44。其中,当吸附时间宽度从5 min延长至15 min时,复合膜中更多的吸附位点得以被Li+占据,但随着吸附时间宽度延长至30 min,虽然更多的Li+得以被吸附,但时间的延长并不利于渗透通量的提高。这是因为LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的吸附速率在前20 min内最高。同样,当脱附时间宽度从10 min延长至20 min时,复合膜中更多的Li+得以从吸附位点中脱附,但脱附时间宽度的延长对其脱附效率并没有明显提升,从而导致了整体渗透通量的降低。所以考虑到分离效率的提升,确定吸附-脱附脉冲时间宽度为15/20 min。
图6(d)展示了10次持续280 min的渗透实验下LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的离子通量与分离因子。可以看到,经过10次渗透实验后Li+的渗透通量仍能保持初始的89.47%且分离因子仍保持稳定,无明显下降,说明该复合膜具有良好的循环稳定性。
2.3.3 LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在模拟卤水中的渗透性能
进一步探究了LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在模拟卤水中对Li+的渗透性能。表1显示了实验前后原料液侧和接收液侧的各阳离子浓度值。经过280 min的渗透实验后,原料室的Li+浓度从226.61 mg·L-1下降至149.82 mg·L-1,接收室的Li+浓度从0上升至55.95 mg·L-1,计算所得的Li+渗透通量为0.036 mol·m-2·h-1,如图7所示,该膜的Li+/Mg2+、Li+/K+、Li+/Na+和Li+/Ca2+分离因子分别达到了164.28、98.49、120.09和47.52。这一结果表明,LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在SL-ISP系统中可以实现盐湖卤水中Li+的选择性提取。根据表2可知,虽然Li+和Mg2+的裸离子半径很接近,但是Mg2+水合作用的自由能比Li+的要大4倍,Mg2+与水分子之间的结合比Li+与水分子之间的结合要牢固得多。Li+比Mg2+更容易摆脱水分子从而被吸附。对于Na+和K+,虽然两者的水合离子半径均小于Li+的水合离子半径并且都有着较低的水合作用的自由能,但其裸离子半径均大于Li+,所以根据空间位阻效应两者均难以嵌入锂离子阱中。而Ca2+有着较大的裸离子半径及水合作用的自由能,更难被LiAlFe-LDHs所吸附。

表1模拟卤水实验中原料液和接收液的阳离子浓度Table 1Cation concentrations of the feedstock and receiver solutions in simulated brine

图7LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜在模拟卤水中计算所得的Li+/Mg2+、Li+/K+、Li+/Na+和Li+/Ca2+分离因子Fig.7The calculated separation factors of Li+/Mg2+, Li+/K+, Li+/Na+, and Li+/Ca2+ for the LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane in simulated brine

表2盐湖卤水中主要离子的裸离子和水合离子的离子半径Table 2Ionic radii of naked ions and hydrated ions for major ions in salt lake brine

2.3.4 不同Li+分离膜的性能比较
图8对比了不同Li+分离膜的选择性与通量。对比其他工作[30-39],LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜表现出相对较高的Li+渗透通量以及对Li+较高的选择筛分性能,同时其制膜方法简单易放大,有利于工业化的放大应用。所以,通过ISPM对Li+的特异选择性并耦合SL-ISP系统,可以实现Li+的选择性定向提取,使得该复合膜在锂分离应用中展现出优异的性能。
图8本研究与文献对Li+/Mg2+分离性能的对比Fig.8Comparison of the Li+/Mg2+ separation performance in this work with those reported in the literature

3 结 论

(1)通过流延成型法成功制备了LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜,并在SL-ISP系统中实现了Li+的选择性定向提取。
(2)LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜对Li+的高效选择性提取归因于材料本征特性与SL-ISP系统的协同作用,即LiAlFe-LDHs的Li+空位为锂离子提供了选择性吸附位点,而SL-ISP系统的分步操作有效抑制了干扰离子的渗透。
(3)在15/20 min的吸附-脱附脉冲时间下,SL-ISP系统中LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜的Li+渗透通量为0.036 mol·m-2·h-1,并且Li+/Mg2+、Li+/K+、Li+/Na+和Li+/Ca2+分离因子分别达到了164.28、98.49、120.09和47.52。
(4)LiAlFe-LDHs/PVDF复合膜表现出优异的吸附-脱附循环稳定性,经过10次渗透循环实验,仍能保持89.47%渗透通量。

Efficient and selective Li⁺ extraction by ship-lock LiAlFe-LDHs/PVDF membrane system

DENG Yuchen1WANG Yi1GAO Fengfeng1,2,3,4HAO Xiaogang1,2,3XIAN Yunchang4ZHAO Rui4

1.College of Chemistry and Chemical Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, Shanxi, China;2.Yuanli(Hangzhou) Separation Technology Co., Ltd., Hangzhou 311607, Zhejiang, China;3.Shanxi Kehua Technology Service Co., Ltd., Taiyuan 030000, Shanxi, China;4.Shanxi Yangmei Chemical Machinery (Group) Co., Ltd., Taiyuan 030032, Shanxi, China )

Abstract: To address the challenge of lithium extraction from Chinese salt lake brines characterized by high Mg2+/Li⁺ ratios and low lithium grades, this study developed an efficient and highly selective ship lock-type ion selective permeation (SL-ISP) system for effective lithium extraction. A LiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane was prepared by casting molding using lithium aluminum iron layered bimetallic hydroxides (LiAlFe-LDHs) as the active material and polyvinylidene fluoride (PVDF) as the binder. This membrane was then used in an SL-ISP system to achieve selective and directional extraction of Li+. The composite membrane fabrication method demonstrates simple yet efficient processing characteristics, while the SL-ISP system offers straightforward operation with low energy consumption, showing excellent potential for industrial scale-up. The membrane displayed a Li+ flux of 0.039 mol·m-2·h-1 and a separation factor of 13.44 at equimolar concentrations (CMg=CLi=0.05 mol·L-1). In simulated brine, it achieved a Li+ permeation flux of 0.036 mol·m-2·h-1, with notable separation factors of 164.28 for Li+/Mg2+, 98.49 for Li+/K+, 120.09 for Li+/Na+ and 47.52 for Li+/Ca2+, confirming its utility in the SL-ISP system for extracting Li+ from saline lake brine.
Keywords: ship lock-type ion selective permeationLi+ extractionLi/Mg separationLiAlFe-LDHs/PVDF composite membrane

第一作者:邓雨晨(2002—),男,硕士研究生,2592067206@qq.com

通讯作者:高凤凤(1988—),女,博士,副教授,gaofengfeng@tyut.edu.cn;郝晓刚(1967—),男,博士,教授,xghao@tyut.edu.cn

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