利用表面改性的商用纳滤膜从废旧锂离子电池浸出液中高选择性分离锂

《Environmental Science & Technology》：High-Selectivity Separation of Lithium from Spent Lithium-Ion Battery Leachates Using Surface-Modified Commercial Nanofiltration Membranes

　　纳米过滤膜表面修饰后显著提升锂离子选择性，通过两段式纳滤过程实现99.52%纯度碳酸锂回收，pH和操作压力影响离子传输，为环保锂回收提供新方案。

　　在当前全球能源转型和电动汽车普及的背景下，锂离子电池（LIBs）的回收与再利用成为解决资源短缺和环境污染的关键技术之一。锂作为LIBs正极材料的重要组成部分，其高效、环保的回收方法对实现可持续发展具有重要意义。传统的锂回收方法，如直接回收、火法冶金和湿法冶金，虽然在一定程度上能够实现金属的提取，但存在能耗高、化学试剂消耗大以及锂损失等问题。因此，寻找一种更加高效且环保的回收技术显得尤为迫切。纳米过滤（NF）作为一种先进的膜分离技术，因其对多价离子的高排斥性和对单价离子的低排斥性，被认为是一种有潜力的锂回收方法。

本研究中，通过表面改性商业NF膜，实现了在LIBs浸出液中对锂的高效分离。这种改性NF膜表现出远高于当前研究水平的Li?/Mx?选择性，具体数值分别为Li?/Ni2?为645.9，Li?/Co2?为508.8，Li?/Mn??为307.4。在实验过程中，采用两步NF工艺，无需使用任何有害化学物质，成功获得了纯度高达99.52%的电池级Li?CO?。这一成果表明，通过优化NF分离过程中的pH值和操作压力，可以显著提高Li的回收效率。

进一步的实验表明，NF膜的表面电荷和孔径对Li?/Mx?选择性具有重要影响。在较低pH条件下，膜表面的正电荷增强了对Li?的吸附能力，而较高的操作压力则提高了膜的分离效率。此外，较小的孔径和更窄的孔径分布也对选择性的提升起到了关键作用。这些发现为开发适用于单步NF工艺的高选择性膜提供了理论基础和实验依据。

为了深入理解离子在LIB浸出液中的传输机制，本研究结合Donnan-孔隙排斥模型（DSPM-DE）和扩展的Nernst-Planck方程进行了建模分析。模型成功预测了离子通量和Li?/Mx?选择性，表明在NF分离过程中，离子的传输主要受到电荷排斥、孔隙排斥和介电排斥的共同影响。这种机制研究不仅有助于解释实验现象，还为未来优化NF膜的性能提供了方向。

在实际应用中，通过两步NF工艺处理LIB浸出液，能够有效提高Li的纯度和回收率。实验结果显示，经过两次NF处理后，Li?CO?的纯度可以达到99.52%，而初始渗透液中的Li含量也显著提升。这表明，通过合理的工艺设计，可以实现对Li的高效提取。此外，X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）分析进一步验证了Li?CO?的纯度和晶体结构，证明其符合电池级材料的标准。

从经济和环境角度来看，NF技术具有显著优势。其能耗较低，且不需要使用有害化学试剂，从而降低了环境污染风险。同时，NF膜的高选择性和高效分离能力使得整个回收过程更加紧凑和经济。此外，通过合理的参数优化，如调整pH值和操作压力，可以进一步提高Li的回收效率，减少资源浪费。

在实际工业应用中，NF技术的潜力不仅体现在其高效的锂回收能力上，还在于其对复杂浸出液的适应性。LIB浸出液中包含多种金属离子，如Li?、Ni2?、Co2?、Mn??、Cu2?、Al3?和Fe3?等，这些离子的分离需要膜具备高选择性和稳定性能。本研究中的NF膜在处理这种复杂浸出液时表现出良好的分离性能，特别是在低pH条件下，其对Li?的分离效果尤为显著。

此外，NF技术在处理高浓度金属离子溶液时展现出优越的抗污染能力。通过24小时的过滤测试，研究发现NF膜在低有机物含量的LIB浸出液中不易发生污染，且在长时间运行中保持了较高的通量和选择性。这表明NF膜在实际应用中具有良好的稳定性和耐用性，能够满足工业规模的需求。

综上所述，本研究通过表面改性的NF膜，成功实现了对LIB浸出液中Li的高效分离，为锂资源的可持续利用提供了新的解决方案。NF技术在提升锂回收效率、降低能耗和减少有害化学试剂使用方面展现出巨大潜力，有望成为未来LIB回收的重要技术手段。同时，该研究也为开发更高效、更环保的膜分离技术提供了理论支持和实验依据，有助于推动锂资源的循环利用和环境保护的协同发展。