新加坡南洋理工大学王蓉教授：使用离子筛静电纺丝纳米纤维膜离子膜烧碱 ，从海水淡化盐水中高效回收锂
随着电动汽车、电网储能系统和便携式电子产品对锂资源需求的持续攀升，传统锂开采方式在产量和环境可持续性方面日益显现瓶颈离子膜烧碱 。与此同时，全球海水淡化厂每日排放约1.5亿立方米盐水，其中含锂浓度约为海水的两倍（0.34 ppm），但因钠、镁、钙、钾等竞争离子的干扰，锂的高效分离回收一直是技术难题。
鉴于此，新加坡南洋理工大学王蓉教授团队旨在开发并评估含锂离子筛的电纺纳米纤维膜，探究纳米纤维设计对锂回收效率的影响，以实现从 SWRO 浓盐水中高效、规模化回收锂离子膜烧碱 。相关研究内容以“Lithium recovery from seawater desalination brines using ion-sieve electrospun nanofibrous membranes: the role of nanofiber design”为题目，发表在期刊《Chemical Engineering Journal ( IF 13.2 )》上。
图1. 直接混合型（DB），中孔型（MP）与电喷型（ES）纳米纤维膜的结构原理示意图离子膜烧碱 。
本文要点：
1、利用电纺技术制备出自支撑、轻质且具良好弹性的纤维膜，将两种具有锂选择性的材料 ‒ H1.6Mn1.6O4 (HMO) 和 H₂TiO₃ (HTO) ‒ 嵌入以聚丙烯腈（PAN）为基体的复合膜中离子膜烧碱 。
2、为探究不同纤维结构对锂回收性能的影响，团队设计并评估了三种异构膜型：直接混合型（Direct blending; DB）、中孔型（Mesoporous; MP）和电喷型（Electrospin-electrospray; ES）离子膜烧碱 。
3、中孔型HMO/PAN膜凭借其优化的孔隙结构和高分布活性位点，展现出优异的锂吸附性能，其容量和选择性均优于传统粉末填充床方式离子膜烧碱 。
4、该研究为海水淡化浓盐水中锂的高效回收提供了新思路，并有望推动锂资源可持续利用技术的发展离子膜烧碱 。
图2.空PAN膜以及DB、MP、ES三种纺丝膜的结构形貌对比离子膜烧碱 。
图 3. HMO/PAN 膜和 HMO 粉末的力学与结构表征：(a) 孔径、拉伸强度、BET 比表面积和孔隙率特性；(b) 热重分析（TGA）；(c) 氮气吸附 - 脱附 BET 等温线；(d) LMO 和 HMO 的 X 射线衍射（XRD）图谱；(e) LTO 和 HTO 的 X 射线衍射（XRD）图谱离子膜烧碱 。
图 4. 纯锂离子静态吸附实验：(a) HMO 粉末和 HMO/PAN 膜的平衡吸附容量；(b) 不同锂离子浓度下 HTO 粉末和 HTO/PAN 膜的平衡吸附容量；(c) HMO 粉末、介孔 HMO/PAN 膜、HTO 粉末和介孔 HTO/PAN 膜的静态吸附时间曲线离子膜烧碱 。
关键结果
1、纳米纤维形态对吸附性能的影响
介孔膜（MP）：因多孔结构提升吸附剂可及性，吸附容量比粉末吸附剂提高 13.5%，是三种形态中最优离子膜烧碱 。
电喷雾膜（ES）：虽最大化吸附剂表面暴露，但因颗粒团聚，容量比粉末降低 25.6%离子膜烧碱 。
直接混合膜（DB）：性能介于介孔膜和电喷雾膜之间离子膜烧碱 。
HMO 与 HTO 的性能对比
选择性：HTO 的锂选择性更高，但吸附动力学较慢（伪二级速率常数约为 HMO 的 50-60%）离子膜烧碱 。
动态适用性：HMO 更适合连续流系统，HTO 因动力学限制，在动态实验中无法有效富集锂离子膜烧碱 。
动态吸附与循环性能
介孔 HMO/PAN 膜表现最佳：单循环锂富集倍数达 22.9 倍（从 0.34 mg/L 至 7.77 mg/L），6 次循环后总富集倍数达 82.7 倍（至 28.11 mg/L），动态容量稳定在 2.11±0.16 mg/g离子膜烧碱 。
高选择性：对(Na+)、(Mg2+)、(Ca2+)、(K+)的分离因子分别为 4198、4131、1829、1113，远超传统吸附剂离子膜烧碱 。
图5. 第一周测试后，HMO、HTO膜及包装床组件的锂洗脱性能对比离子膜烧碱 。
图6. 中孔HMO/PAN膜的多周期吸附-洗脱稳定性与锂选择性分析离子膜烧碱 。
结论
本研究系统评估了含 HMO/PAN 和 HTO/PAN 的三种不同形态（直接混合、介孔和电喷雾）纳米纤维膜，用于从海水淡化浓盐水中选择性吸附锂离子，并以填充床粉末装置作为基准离子膜烧碱 。主要研究结果和未来研究方向如下：
1、介孔膜由于提高了吸附位点的可及性并优化了粒径分布，表现出优异的锂离子吸附容量和动力学性能离子膜烧碱 。电喷雾膜虽具有高表面暴露率，但因团聚现象导致有效表面积减少，效率降低。
2、HTO 吸附剂稳定性更高、容量更大，但吸附动力学较慢，限制了其在动态流动应用中的适用性离子膜烧碱 。仅基于 HMO 的装置在动态吸附测试中成功实现了锂离子的浓缩。
3、使用 HMO 和 HTO 粉末的填充床系统表现出相似的吸附趋势，但存在压降和传质限制问题离子膜烧碱 。介孔纳米纤维膜通过更优的对流传质和结构完整性缓解了这些挑战，更适用于动态流动系统。在第一个循环中，介孔 HMO/PAN 膜的锂浓缩倍数是 HMO 填充床系统的 3.7 倍（洗脱浓度分别为 7.78 mg/L 和 2.12 mg/L）。
4、动态吸附测试证实了介孔膜适用于连续锂离子回收离子膜烧碱 。介孔膜实现了 82.7 倍的浓度提升（从 0.34 mg/L 增至 28.11 mg/L），并在六个循环中保持了 2.11±0.16 mg/g 的吸附容量。
本研究强调了纳米纤维形态、粒径控制和团聚缓解在最大化吸附效率方面的重要性离子膜烧碱 。介孔 HMO/PAN 膜在锂回收中实现了高容量、优动力学和强选择性的良好平衡。未来的研究应聚焦于理解不同纳米纤维形态中吸附剂的溶解速率，以及优化纳米纤维上的吸附剂暴露程度。
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