鋰是新能源汽車(chē)電池的核心原材料。我國(guó)鋰資源儲(chǔ)量豐富，其中約80%存在于鹽湖鹵水中。然而，鹽湖鹵水中的鎂和鋰離子性質(zhì)相近、共存一體，難以分離。傳統(tǒng)聚酰胺納濾膜長(zhǎng)期受制于滲透性和選擇性難以兼顧的問(wèn)題，在超高鹽環(huán)境下性能急劇下降。基于此，中國(guó)石油大學(xué)(華東)孫海翔教授領(lǐng)銜的研究團(tuán)隊(duì)提出了一種新型的分級(jí)調(diào)控界面聚合策略，用來(lái)調(diào)控納濾膜的結(jié)構(gòu)，可高效分離高鎂鋰比鹽湖鹵水中的鎂離子和鋰離子。

傳統(tǒng)膜材遇瓶頸　鹽湖有鋰難尋

納濾膜是鹽湖提鋰常用的分離膜。然而，傳統(tǒng)聚酰胺納濾膜存在“滲透性—選擇性”的權(quán)衡效應(yīng)問(wèn)題。“傳統(tǒng)納濾膜難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高水通量和高選擇性，這兩者就像是天平的兩端，要么水滲透快但提鋰不純，要么鋰提得純但水滲透得慢。”陳宇昊解釋道。

我國(guó)鹽湖鹵水通常具有較高的鎂鋰比和總鹽濃度。這種高鹽環(huán)境就像一面“放大鏡”，會(huì)徹底暴露這種權(quán)衡效應(yīng)所帶來(lái)的弊端，在這樣的環(huán)境下，用傳統(tǒng)納濾膜分離鎂離子和鋰離子需用大量淡水稀釋?zhuān)粌H增加成本，在缺水地區(qū)更是難以實(shí)施。因此，業(yè)界迫切需要一種能夠在高鹽環(huán)境下同時(shí)實(shí)現(xiàn)高通量和高選擇性的分離膜技術(shù)。

從分子設(shè)計(jì)破題　創(chuàng)新界面聚合策略

孫海翔團(tuán)隊(duì)從化學(xué)反應(yīng)的底層邏輯出發(fā)，提出了一種創(chuàng)新的界面聚合策略，通過(guò)可逆烯胺反應(yīng)實(shí)現(xiàn)對(duì)雙水相單體反應(yīng)行為的分階段控制，為精確調(diào)控膜結(jié)構(gòu)、提高分離性能提供了全新途徑。

用于制備納濾膜的傳統(tǒng)界面聚合策略通常只會(huì)使用一種水相單體，這種方法雖然成熟，但形成的膜結(jié)構(gòu)由其單一單體的分子結(jié)構(gòu)所決定，其性能存在一個(gè)天花板上限，這使得它們難以滿(mǎn)足某些特定領(lǐng)域分離的需求。該技術(shù)正是打破了“單一水相單體”的這個(gè)傳統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)“雙水相單體”反應(yīng)過(guò)程的精密控制。這就好比在建造一堵精確控制的“分子篩”墻時(shí)，不是一次性把所有磚塊都倒進(jìn)去，而是通過(guò)巧妙的工程設(shè)計(jì)，讓不同大小、功能的磚塊按照預(yù)設(shè)順序自動(dòng)到位，各司其職，最終構(gòu)筑起結(jié)構(gòu)精密的分離層。

“該策略也意味著未來(lái)的科研人員可以不再局限于單一單體的固有特性，而是像‘搭樂(lè)高’一樣，可以自由地將多種功能各異的單體按照預(yù)設(shè)的順序和結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合，從而制造面向不同應(yīng)用場(chǎng)景的膜材料。”陳宇昊說(shuō)。針對(duì)高鎂鋰比鹽湖鹵水提鋰?yán)Ь硨?zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的新型納濾膜就是該策略應(yīng)用途徑之一。

保障鋰資源安全　應(yīng)用前景廣闊

該技術(shù)為保障國(guó)家鋰資源安全，特別是當(dāng)前以新能源汽車(chē)為代表的鋰產(chǎn)業(yè)鏈安全帶來(lái)了希望。陳宇昊指出：“用這項(xiàng)技術(shù)制備的納濾膜可以在極高的鹽濃度下運(yùn)行，使開(kāi)發(fā)特高鎂鋰比鹽湖資源成為可能。”在實(shí)際應(yīng)用方面，新型納濾膜的高滲透性與選擇性意味著能耗顯著降低，其單位設(shè)備處理能力更強(qiáng)，減少了設(shè)備占地面積和初始投資，也減輕了前期預(yù)處理和后續(xù)純化工藝的負(fù)擔(dān)，縮短整體工藝流程，進(jìn)一步節(jié)省投資和運(yùn)行成本。

“回顧整個(gè)研究過(guò)程，最大的驚喜其實(shí)在于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果之間那種不可預(yù)測(cè)的奇妙關(guān)系。我們之前設(shè)計(jì)過(guò)很多方案，但結(jié)果往往不會(huì)完全按預(yù)想的路徑發(fā)展。”陳宇昊分享道，“這一次，我們想到用‘醛’來(lái)精確調(diào)控兩種不同胺單體的反應(yīng)行為。說(shuō)實(shí)話(huà)，最開(kāi)始并沒(méi)有十足把握，但令人振奮的是，實(shí)驗(yàn)取得了預(yù)期結(jié)果，反應(yīng)過(guò)程如我們?cè)O(shè)想的那樣分步進(jìn)行、有序可控。”這個(gè)階段性勝利給了團(tuán)隊(duì)極大信心，促使他們不斷深入探索、優(yōu)化條件，最終取得了突破性進(jìn)展。

目前，這項(xiàng)技術(shù)正處于從實(shí)驗(yàn)室向產(chǎn)業(yè)化過(guò)渡的關(guān)鍵階段。基于該技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)已成功制備出一款新型納濾膜，能夠高效脫除高鹽溶液中的二價(jià)陽(yáng)離子。這些離子容易造成設(shè)備結(jié)垢，是很多工業(yè)水處理中的痛點(diǎn)。團(tuán)隊(duì)已與中國(guó)海油等企業(yè)開(kāi)展合作，有望將該款納濾膜應(yīng)用在油田注水精細(xì)處理等相關(guān)領(lǐng)域，助力國(guó)內(nèi)油氣田增儲(chǔ)上產(chǎn)。