「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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團(tuán)隊(duì)在高鎂鋰比鹽湖滷水提鋰領域取得重要進(jìn)展。啟 發(fā)於傳統(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)化工特種分離領域複雜物料分離難題， 團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性地提出一種“離子精餾”概念，並首次應(yīng)用於高鎂鋰比鹽湖提鋰。
離子精餾技術(shù)極大地提升了特種物料間的分離效率，由鹽湖滷水一步製取超電池級(jí)純度的 鋰產(chǎn)品，解決了高鎂鋰比鹽湖滷水提鋰的技術(shù)難題。同時(shí)，該技術(shù)對(duì)不同溶質(zhì)體系的鹽湖滷水 也具有廣泛適用性，並有望實(shí)現(xiàn)滷水、海水、礦物中有價物質(zhì)，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)表於《美國(guó)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)導(dǎo)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(xué)儲能鋰電池的重要原料，鋰電是解決傳統(tǒng)能源危機(jī)，並推動解決‘雙碳’問(wèn)題的 重要手段。我國(guó)鹽湖滷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(dǎo)致我國(guó)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(guó)鋰資源 安全的重要課題。
針對(duì)高鎂鋰比鹽湖滷水鋰鎂分離問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基於前期工作積累，聚焦化工特種分離應(yīng)用前 沿，另闢蹊徑，啟發(fā)於傳統(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)採用陰/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(tǒng)電滲析單元內(nèi)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(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)數放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn) 鋰離子由高鎂鋰比鹽湖滷水的精準分離。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(jī)制，在電場(chǎng)力驅動下實(shí)現(xiàn)鋰鎂離子的電吹脫分離。
實(shí)驗(yàn)構建一級(jí)至四級(jí)的離子精餾系統(tǒng)，並針對(duì)高鎂鋰的鹽湖滷水（青海東臺吉乃爾鹽湖， 鎂鋰比＞35），開展了研究。結果表明對(duì)於一級(jí)至四級(jí)離子精餾過(guò)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(guò)了工業(yè)級(jí)與電池級(jí)標準。最終從青海東臺吉乃爾鹽 湖滷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)於目前文獻中所報(bào)導(dǎo)的各類先進(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)有助於解決傳統(tǒng)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(guó)鋰資源 安全。同時(shí)，離子精餾作為一個平臺技術(shù)，集成了平衡分離（選擇性高）與速率分離過(guò)程（運(yùn) 行成本低）的特色優(yōu)勢(shì)，將為鋰同位素分離、稀土分離、海水精製、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(jí)，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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“鹼性離子交換膜製備技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目， 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，以及安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目支持。
全文連結：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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近日，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)徐銅文教授團(tuán)隊(duì)在高鎂鋰比鹽湖滷水提鋰領域取得重要進(jìn)展。啟 發(fā)於傳統(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)化工特種分離領域複雜物料分離難題， 團(tuán)隊(duì)原創(chuàng)性地提出一種“離子精餾”概念，並首次應(yīng)用於高鎂鋰比鹽湖提鋰。
離子精餾技術(shù)極大地提升了特種物料間的分離效率，由鹽湖滷水一步製取超電池級(jí)純度的 鋰產(chǎn)品，解決了高鎂鋰比鹽湖滷水提鋰的技術(shù)難題。同時(shí)，該技術(shù)對(duì)不同溶質(zhì)體系的鹽湖滷水 也具有廣泛適用性，並有望實(shí)現(xiàn)滷水、海水、礦物中有價物質(zhì)，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)表於《美國(guó)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)導(dǎo)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(xué)儲能鋰電池的重要原料，鋰電是解決傳統(tǒng)能源危機(jī)，並推動解決‘雙碳’問(wèn)題的 重要手段。我國(guó)鹽湖滷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(dǎo)致我國(guó)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(guó)鋰資源 安全的重要課題。
針對(duì)高鎂鋰比鹽湖滷水鋰鎂分離問(wèn)題，團(tuán)隊(duì)基於前期工作積累，聚焦化工特種分離應(yīng)用前 沿，另闢蹊徑，啟發(fā)於傳統(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)採用陰/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(tǒng)電滲析單元內(nèi)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(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)數放大效應(yīng)，實(shí)現(xiàn) 鋰離子由高鎂鋰比鹽湖滷水的精準分離。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(jī)制，在電場(chǎng)力驅動下實(shí)現(xiàn)鋰鎂離子的電吹脫分離。
實(shí)驗(yàn)構建一級(jí)至四級(jí)的離子精餾系統(tǒng)，並針對(duì)高鎂鋰的鹽湖滷水（青海東臺吉乃爾鹽湖， 鎂鋰比＞35），開展了研究。結果表明對(duì)於一級(jí)至四級(jí)離子精餾過(guò)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(guò)了工業(yè)級(jí)與電池級(jí)標準。最終從青海東臺吉乃爾鹽 湖滷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)於目前文獻中所報(bào)導(dǎo)的各類先進(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)有助於解決傳統(tǒng)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(guó)鋰資源 安全。同時(shí)，離子精餾作為一個平臺技術(shù)，集成了平衡分離（選擇性高）與速率分離過(guò)程（運(yùn) 行成本低）的特色優(yōu)勢(shì)，將為鋰同位素分離、稀土分離、海水精製、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(jí)，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(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)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(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃“鹼性離子交換膜製備技術(shù)及應(yīng)用”項(xiàng)目， 國(guó)家自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目，以及安徽省科技重大專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目支持。
全文連結：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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