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慧正資訊，澳大利亞蒙納士大學(xué)、蘇州工業(yè)園區(qū)蒙納士科學(xué)技術(shù)研究院李之考博士，聯(lián)合澳大利亞昆士蘭大學(xué)、澳大利亞技術(shù)科學(xué)與工程院院士張西旺教授，成功開發(fā)了一種采用乙二胺四乙酸（EDTA）輔助的疏松納濾膜工藝，實(shí)現(xiàn)了對鹽湖鋰資源的高效提取，并同時(shí)實(shí)現(xiàn)了鹽湖鎂資源的增值利用。2024年10月22日，這一突破性成果以“Sustainable lithium extraction and magnesium hydroxide co-production from salt-lake brines”為題，發(fā)表在Nature Sustainability期刊上，文章的第一作者為博士生雍明，博士生湯蒙為共同第一作者。
研究背景
隨著全球能源結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)型和電動汽車產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，鋰資源的戰(zhàn)略地位日益凸顯。預(yù)計(jì)到2050年，全球?qū)︿嚨男枨髮⒃黾?8至20倍。如何高效且可持續(xù)地開發(fā)鋰資源，成為當(dāng)前亟待解決的戰(zhàn)略問題。目前，鋰資源主要來源于硬巖礦和鹽湖鹵水。雖然硬巖礦提取速度較快且鋰濃度高，但化學(xué)品消耗量大且對環(huán)境影響顯著。相比之下，鹽湖鹵水占全球鋰資源62.6%，因其資源豐富、開采成本低，備受關(guān)注。然而，傳統(tǒng)的鹵水提鋰工藝存在諸多問題：首先，蒸發(fā)-沉淀周期長達(dá)兩年，難以滿足快速增長的市場需求；其次，鹵水中鎂鋰比例較高，增加了后續(xù)提純的難度并產(chǎn)生大量固體廢棄物；此外，生產(chǎn)一噸碳酸鋰需耗廢接近500立方米淡水，進(jìn)一步加劇了鹽湖地區(qū)的水資源壓力。這些問題嚴(yán)重限制了鹽湖鋰資源的高效開發(fā)利用。為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，直接鹽湖提鋰（DLE）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。吸附法、電化學(xué)法和膜分離法等新興分離技術(shù)通過利用鋰、鎂離子的物理化學(xué)性質(zhì)差異實(shí)現(xiàn)選擇性分離，展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而，由于鋰、鎂離子物化性質(zhì)相近，這些技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中仍面臨分離效率低、材料合成復(fù)雜、運(yùn)行不穩(wěn)定等挑戰(zhàn)。同時(shí)，現(xiàn)有DLE技術(shù)難以有效處理高鹽度和成分復(fù)雜的鹽湖鹵水。
技術(shù)創(chuàng)新
為應(yīng)對上述挑戰(zhàn)，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了EDTA輔助的疏松納濾（EALNF）工藝，通過EDTA與鎂離子的選擇性螯合作用，顯著放大了鋰、鎂離子在電性和尺寸上的差異，實(shí)現(xiàn)了鋰資源的高效提取以及鎂資源的有效增值利用。在處理高鹽度、多組分的鹵水（127.06 g/L，含有Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+）時(shí)，該工藝實(shí)現(xiàn)了接近100%的鎂截留率，鋰離子通量達(dá)到4.34 mol·m-2·h-1，鋰鎂分離系數(shù)高達(dá)約679，相較于現(xiàn)有納濾技術(shù)提高了一個(gè)至兩個(gè)數(shù)量級。通過兩級過濾，鋰離子全流程回收率高達(dá)90%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的蒸發(fā)-沉淀法（30-50%），并成功生產(chǎn)出電池級碳酸鋰產(chǎn)品。此外，EDTA可實(shí)現(xiàn)接近100%的循環(huán)利用，且將鹽湖中的鎂資源轉(zhuǎn)化為高附加值的納米級氫氧化鎂產(chǎn)品。碳酸鋰作為鋰電池和其他儲能設(shè)備的關(guān)鍵原料，納米級氫氧化鎂因其優(yōu)異的粒度和形貌調(diào)控能力，在橡膠阻燃、生物醫(yī)藥、碳捕集、污水處理等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。相比傳統(tǒng)蒸發(fā)-沉淀工藝，該工藝省去了耗時(shí)的鹽田晾曬步驟，將生產(chǎn)周期從1-2年大幅縮短至1-2個(gè)月。這不僅大幅提升了生產(chǎn)效率，而且能更有效響應(yīng)快速變化的市場需求。EALNF工藝在經(jīng)濟(jì)性與環(huán)境友好性方面表現(xiàn)突出。例如，該工藝可在不稀釋或僅少量稀釋鹵水的條件下運(yùn)行，顯著減少了淡水消耗，且每生產(chǎn)一噸碳酸鋰能夠產(chǎn)生251.9立方米的淡水，這對水資源緊缺的鹽湖地區(qū)尤為重要。
本文亮點(diǎn)
圖1：鋰提取工藝對比圖：蒸發(fā)-沉淀法與EDTA輔助疏松納濾（EALNF）法
EALNF工藝展現(xiàn)出高效穩(wěn)定的分離性能。該工藝通過EDTA與鎂離子的選擇性螯合，顯著放大了鋰、鎂離子之間的物理化學(xué)性質(zhì)差異，從而顯著提高了分離效率。如圖1所示，EALNF工藝不僅有望取代傳統(tǒng)的鹽田晾曬步驟，還可替代吸附法和傳統(tǒng)納濾工藝。
圖2：鹽湖鹵水資源的綜合利用及經(jīng)濟(jì)性分析
EALNF工藝可有效轉(zhuǎn)化鹽湖鎂資源。為提高工藝的經(jīng)濟(jì)性并最大限度地減少環(huán)境影響，研究團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了接近100%的EDTA4-回收。同時(shí)生成的納米級氫氧化鎂呈現(xiàn)出多種有序的納米結(jié)構(gòu)，包括納米花形狀（尺寸約為250 nm）、六邊形納米片（尺寸約為200 nm）以及規(guī)整的納米小球（尺寸約為100 nm），其在阻燃劑或催化劑領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用潛力。
EALNF工藝具有經(jīng)濟(jì)與環(huán)境優(yōu)勢。傳統(tǒng)工藝每生產(chǎn)一噸碳酸鋰，會產(chǎn)生119噸固體廢物，給鹽湖地區(qū)帶來嚴(yán)重的生態(tài)壓力。相比之下，新工藝不僅提高了鋰的回收率（可達(dá)90%，傳統(tǒng)方法僅為30-50%），還將Mg2+廢棄物轉(zhuǎn)化為高附加值產(chǎn)品，極大提升了鹽湖資源的綜合利用效率。在淡水資源方面，新工藝可大幅降低淡水消耗，同時(shí)每生產(chǎn)一噸碳酸鋰還能額外產(chǎn)出251.9立方米的淡水，這對淡水資源緊張的鹽湖地區(qū)尤為關(guān)鍵。在經(jīng)濟(jì)性方面，研究團(tuán)隊(duì)通過物料流分析評估了新工藝的可行性。以龍木措湖鹵水為例，新工藝不僅能生產(chǎn)電池級碳酸鋰，還能同時(shí)生產(chǎn)納米結(jié)構(gòu)的Mg(OH)2，其總利潤是傳統(tǒng)工藝的3-4倍。與其他鹽湖提鋰技術(shù)相比，該工藝具有較高的工業(yè)成熟度，流程簡便等優(yōu)勢，具有廣闊的工業(yè)應(yīng)用前景。
隨著電動汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，鋰資源戰(zhàn)略地位日益凸顯。然而傳統(tǒng)鹵水提鋰工藝存在諸多問題，其中蒸發(fā)-沉淀周期長達(dá)兩年，難以滿足快速增長的市場需求。而研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了EDTA輔助的疏松納(EALNF)工藝，通過EDTA與鎂離子的選擇性螯合作用，顯著放大了鋰、鎂離子在電性和尺寸上的差異，實(shí)現(xiàn)了鋰資源的高效提取以及鎂資源的有效增值利用。
通過兩級過濾，鋰離子全流程回收率高達(dá)90%，遠(yuǎn)超傳統(tǒng)的蒸發(fā)-沉淀法(30-50%)。相比傳統(tǒng)蒸發(fā)-沉淀工藝，該工藝省去了耗時(shí)的鹽田晾曬步驟，將生產(chǎn)周期從1-2年大幅縮短至1-2個(gè)月。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01435-2
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