新加坡南洋理工大学王蓉教授团队：电纺纳米纤维膜结合锂离子筛 实现高效从海水淡化盐水中提取锂
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。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。
王蓉教授团队创新性地将电纺纳米纤维膜与锂离子筛相结合，构建出具有优异选择性与通量性能的分离平台，在提取盐水中微量锂方面展现出显著优势，有望为锂资源的可持续开发开辟新路径。 近日，新加坡南洋理工大学膜技术中心（Singapore Membrane Technology Centre, SMTC）王蓉教授团队在化学工程杂志《Chemical Engineering Journal》发表最新研究成果，论文题为 "Lithium recovery from seawater desalination brines using ion-sieve electrospun nanofibrous membranes: the role of nanofiber design"。该研究聚焦于利用锂离子筛电纺纳米纤维膜从海水淡化浓盐水中高效回收锂资源，深入探讨了纳米纤维结构设计在选择性分离过程中的关键作用。本研究由博士生Naeem Nadzri担任第一作者，林煜捷博士为共同第一作者。研究团队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。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）（图1）。其中，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。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。 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。 中孔型膜通过添加结构性造孔剂形成更大且清晰的孔隙通道，显著提升锂离子的迁移路径与接触面积。该膜的吸附容量较传统粉末材料提高了3.7倍，在首周测试中实现了高达82.7倍的锂富集效应，并在对Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺、K⁺等竞争离子中依然保持高度选择性。多轮循环测试结果进一步验证了其优异的重复使用性能与大规模应用潜力。 图2.空PAN膜以及DB、MP、ES三种纺丝膜的结构形貌对比。 DB膜通过将吸附剂直接掺混进电纺溶液中制备而成。由于纤维外壳较厚，整体纤维直径较大，部分吸附剂被包埋在纤维内部，导致大多数活性位点无法有效接触溶液，影响吸附性能（图2）。MP膜则通过在体系中引入PVP类造孔剂，并辅以后续的化学清洗和热处理，形成明显的大孔结构（图2d），显著提升了膜的总吸附面积及锂离子的传输通道。ES膜采用双层结构设计，吸附剂通过静电喷涂技术均匀分布于第一层PAN支撑膜表面，由低浓度PAN溶液电纺形成的细密玻璃纤维珠作为支撑层。尽管ES膜的表面暴露吸附剂最多，但由于出现了一定程度的颗粒聚集，导致其有效吸附面积降低，从图2f的SEM统计中可见，其平均纤维直径达到1969 nm。元素分析结果证实，锂选择性吸附剂HMO与HTO均成功嵌入到所有膜体结构中。 图3.第一周测试后，HMO、HTO膜及包装床组件的锂洗脱性能对比。 在连续处理海水反渗透（Seawater reverse osmosis; SWRO）浓盐水后，富锂膜组件通过0.5 M盐酸进行再生，从而获得浓缩的锂洗脱液。结果显示，中孔型HMO/PAN膜展现出最优的洗脱能力，锂浓度高达7.78 mg/L，显著优于传统包装床（2.12 mg/L）及其他膜型（图3）。这一结果不仅验证了其卓越的吸附性能，也突显其在真实应用条件下出色的锂解吸与富集能力。相比之下，电喷膜因表面吸附剂聚集、活性位点暴露不足，洗脱效果最弱；以HTO为吸附剂的膜在锂的回收效率方面整体表现差于HMO基膜。 图4.中孔HMO/PAN膜的多周期吸附-洗脱稳定性与锂选择性分析。 中孔型HMO/PAN膜在连续六个吸附-洗脱循环中保持优异的锂回收性能，展现出出色的运行稳定性与离子选择性（图4b）。整个过程中洗脱锂浓度基本保持稳定，性能衰减极小；Li⁺相对于Na⁺、Mg²⁺、Ca²⁺和K⁺的分离因子始终维持在较高水平，体现了良好的选择分离能力（图4d）。此外，Bohart-Adams模型预测的动态吸附容量与实验结果高度吻合，进一步验证了该膜在连续工况下的应用可靠性。这些结果充分说明，该膜具备良好的循环稳定性，极适合在海水淡化系统中集成，用于高效、可持续的锂资源回收。本研究强调了纳米纤维结构在提升锂回收效率中的关键作用。该类膜材料不仅轻质、可规模化生产，还可与现有脱盐流程高效耦合，为低能耗、高选择性的锂提取提供了全新解决方案。
