用于增强Li+富集和Li+/Mg2+分离的电辅助功能纳米过滤膜

《Journal of Membrane Science》：Electro-assisted functional nanofiltration membrane for enhancing Li+ enrichment and Li+/Mg2+ separation

锂资源高效提取面临高盐度盐湖溶液中Li+与Mg2+分离困难的问题。本研究通过聚乙烯亚胺（PEI）修饰ZIF-8纳米颗粒构建正电性复合纳滤膜，结合电场作用实现Li+高效脱水迁移与Mg2+强截留。在4bar、8mA条件下，Li+/Mg2+分离因子达272.9，Mg2+截留率98.7%，Li+渗透率150%，性能优于多数文献报道。电场成功扩展至Na+/Mg2+（分离因子90.4）和K+/Mg2+（18.8）体系。分子动力学模拟表明，电场协同增强脱水效应与反离子解耦机制是提升分离性能的关键。

　　在当前的工业和科研背景下，离子分离技术正变得越来越重要，特别是在资源回收和环境保护领域。随着锂基能源的快速发展，对锂资源的需求不断上升，这使得如何高效地从复杂的盐湖水等天然资源中提取锂离子成为研究的热点。然而，锂离子与其他阳离子（如钠、镁、钾等）在物理化学性质上的高度相似性，使得传统的分离方法难以实现高选择性。因此，寻找一种既能提高镁离子的截留率，又能促进锂离子透过率的新技术显得尤为迫切。

本研究提出了一种结合功能化纳米过滤膜与外部电场辅助策略的创新方法，旨在突破现有技术在多离子系统中的选择性瓶颈。通过将聚乙烯亚胺（PEI）修饰的金属有机框架（ZIF-8）纳米颗粒引入聚酰胺基质中，成功制备出一种表面富含正电荷的复合纳米过滤膜。这种膜不仅具备较高的正电荷密度，还能在电场作用下显著调控离子的迁移行为。研究发现，在4 bar的操作压力和8 mA的电流条件下，该膜对锂离子与镁离子的分离因子达到了272.9，镁离子的截留率高达98.7%，而锂离子的透过率则达到了150%。这一表现超越了大多数之前报道的性能，表明该方法在锂离子选择性分离方面具有显著优势。

电场辅助策略的应用，为解决传统膜技术中因单一机制难以解释的离子分离难题提供了新的思路。通过电场的引入，可以有效促进锂离子的脱水过程，同时增强反离子的解耦效应，从而提高离子分离效率。具体而言，电场的作用使得锂离子在膜表面的迁移路径更加顺畅，而镁离子则因较强的静电吸引力被截留。此外，研究还发现，电场不仅能够降低能量障碍，还能够改善膜的稳定性，避免因高电压导致的电极材料氧化降解问题。这种策略的灵活性和高效性，使其在多种单、双电荷离子系统中均表现出良好的适用性。

为了进一步验证该策略的有效性，研究团队还对不同离子系统的分离性能进行了评估。结果显示，该膜在钠离子与镁离子分离中也表现出优异的性能，分离因子达到90.4；而在钾离子与镁离子分离中，分离因子为18.8。这些数据表明，电场辅助策略不仅适用于锂离子的提取，还能扩展至其他阳离子的选择性分离，为未来在复杂离子体系中的应用奠定了基础。同时，分子动力学（MD）模拟进一步揭示了电场在离子分离中的作用机制，表明脱水效应与反离子解耦的协同作用是实现高效分离的关键因素。

在实际应用中，电场辅助纳米过滤技术的优势不仅体现在其分离性能上，还在于其操作的稳定性和能量效率。研究团队对电场辅助过程的运行稳定性进行了系统评估，发现该技术能够在较长的时间内保持较高的分离效率，且整体能耗较低。这为该技术在工业规模应用提供了可行性。此外，通过调节电场方向、电极间距和电流强度等关键参数，研究团队能够灵活控制离子的迁移行为，从而实现对分离效果的优化。

本研究的创新点在于，通过将正电荷纳米颗粒引入膜材料中，不仅提高了膜的电荷密度，还利用电场的作用有效抑制了镁离子在膜表面的积累，从而避免了因空间位阻和静电排斥导致的锂离子透过率下降问题。这种设计思路突破了传统膜材料在离子选择性上的局限，为实现高效、稳定的离子分离提供了新的解决方案。此外，研究还表明，电场辅助策略可以与其他分离机制（如尺寸筛分、Donnan效应、电荷排斥等）相结合，进一步提升膜的综合性能。

在实验方法方面，研究团队采用了多种先进的表征技术，对合成的纳米材料和膜结构进行了详细分析。通过扫描电子显微镜（SEM）和透射电子显微镜（TEM）观察，确认了PEI修饰的ZIF-8纳米颗粒在膜基质中的均匀分布和良好的界面结合。同时，通过X射线光电子能谱（XPS）和Zeta电位测试，进一步验证了膜表面的正电荷特性。这些表征手段为理解膜材料的结构与性能之间的关系提供了重要依据。

在实际应用中，该技术不仅适用于锂离子的提取，还可以广泛应用于其他离子分离场景。例如，在海水淡化、废水处理和工业废水回收等领域，电场辅助纳米过滤技术都能发挥重要作用。通过调整膜材料的组成和电场参数，可以实现对不同离子体系的高效分离，从而满足多样化的工业需求。此外，该技术的低能耗特性，使其在可持续发展和绿色制造方面具有显著优势。

研究团队还对电场辅助纳米过滤过程的能耗进行了评估，发现该方法在保持高分离效率的同时，能够有效降低能源消耗。这主要得益于电场对离子迁移行为的调控作用，使得锂离子在膜表面的脱水过程更加高效，从而减少了能量需求。同时，通过优化膜材料的结构和电场参数，可以进一步提升该技术的经济性和环境友好性。

综上所述，本研究提出了一种基于正电荷膜材料和外部电场辅助的创新离子分离策略，不仅显著提升了锂离子与镁离子的分离效率，还展示了其在多种离子系统中的广泛适用性。该技术的高效性、稳定性和低能耗特性，使其在资源回收和环境治理等领域具有重要的应用前景。未来，随着对膜材料和电场调控机制的深入研究，该技术有望在更多复杂离子体系中实现突破，为离子分离技术的发展提供新的思路和方向。