二次界面聚合纳滤膜的制备及其锂镁分离性能研究
国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFC2901300)研究成果
锂资源具有重要的战略意义和价值，在锂电池、精细化工等领域有着广泛的应用。我国的锂资源大多储存在西部地区的盐湖卤水当中，其低锂浓度、高镁锂比等问题制约了我国盐湖提锂技术的发展。因此，研发在高镁锂比条件下实现锂镁离子高效分离的技术成为提高我国锂资源自给率的重要发展领域。
近日，《Desalination》报道了大连理工大学高性能膜与膜耦合过程强化团队在改性锂镁分离纳滤膜方面的研究 (Desalination 2024, 577, 117394)。
研究团队利用不同分子量的PEI和TMC进行界面聚合制备纳滤膜。通过选取PEI的分子量，调整界面聚合单体的引入浓度和反应时间等条件，优化了纳滤膜活性层的孔径分布和表面电荷，最终制备了具有纳米梯度结构的正电纳滤膜。在进料镁锂比为50:1，溶液浓度为2000和3000 ppm的条件下持续运行150 h后，纳滤膜的水通量约为20 L⋅m−2⋅h−1 MPa−1，渗透液的镁锂比降至0.32:1，锂镁分离因子（SLi/Mg）高达150。该研究利用界面聚合和二次接枝的方法制备纳滤膜，同步调控了活性层的孔径分布和表面电荷，最终实现了高效的锂镁分离，为锂镁分离纳滤的开发及其活性层的设计提供了一定的参考。
图文速览
1. 锂镁分离纳滤膜的制备及其性能表征
图1. 锂镁分离纳滤膜的制备流程图
使用如图1所示的制膜流程制备锂镁分离纳滤膜。进行界面聚合反应前，通过覆盖适量的正己烷进行预扩散（图1左下），以形成连续均匀的活性层，保证纳滤膜的尺寸筛分效果。一次界面聚合反应后，活性层中会残留有部分未反应的酰氯基团（图1右下），通过二次接枝PEI引入更多的氨基，增强纳滤膜的正电性，最终强化纳滤膜的锂镁分离性能。
图2. 不同分子量PEI接枝前后纳滤膜的孔径分布和表面电荷对比
为进一步优化纳滤膜的孔径分布和表面电荷，研究团队对二次接枝PEI的分子量进行了调整，并对不同纳滤膜的孔径分布和表面电荷进行了测试，结果如图2所示。当二次接枝PEI分子量为70000 Da时，纳滤膜（M3）的孔径分布较窄，正电荷最高，有望用于锂镁混合溶液的分离。
2. 锂镁分离性能测试及分离机理探究
图3. (a) 纳滤膜锂镁分离性能的长周期测试；(b) 锂镁分离过程的机理示意图
进一步优化界面聚合反应的时间后，制备了本研究中性能最优的锂镁分离纳滤膜，并将其用于锂镁混合溶液的分离测试，展现出其良好的稳定性和锂镁分离性能（图3a）。同时，结合纳滤膜的高表面电荷和锂镁分离过程中分离因子SLi/Mg的变化趋势，本研究提出了如图3b所示的分离机理：通过二次PEI接枝优化了纳滤膜的孔径分布和表面电荷，强化了纳滤膜对Mg2+的截留性能，并促进了进料侧富Mg2+层的形成，最终提高了Mg2+的截留率，强化了纳滤膜的锂镁分离性能。
3. 纳滤膜的锂镁分离效果对比
图4. 锂镁分离纳滤膜的分离性能对比
图4对本研究所制备的纳滤膜与其他先进的锂镁分离纳滤膜进行了对比，展现出了该纳滤膜优异的锂镁分离性能，有望在较高镁锂比的进料条件下实现长期稳定的锂镁分离。
以上研究成果发表于化工分离领域重要期刊《Desalination》。论文的第一作者为大连理工大学在读硕士研究生赵鹏，通讯作者为大连理工大学姜晓滨教授。该研究得到了国家重点研发计划青年科学家项目(2021YFC2901300)支持。
原文链接：https://doi.org/10.1016/j.desal.2024.117394
作者介绍
第一作者
赵鹏，大连理工大学化工学院硕士研究生。
通讯作者
姜晓滨，教授，博士生导师，国家级青年人才。现任大连理工大学化工学院副院长，辽宁省石化行业高效节能分离技术工程实验室主任。国家重点研发计划青年科学家项目负责人，基金委创新研究群体核心成员。主要从事膜结晶和化工过程耦合强化研究。在AIChE J、Adv Funct Mater、ACS Nano、Chem. Eng. Sci.、J Membr Sci、ACS Appl Mater Inter、Engineering、Desalination等发表SCI论文80余篇。主持国家重点研发计划青年科学家项目、国家重大科研仪器研制项目子课题、面上项目、“兴辽英才”计划项目、大连市高端人才培养计划、企业研发项目等20余项。授权中国发明专利20余项，授权国际专利3项。
