澳大利亚蒙纳士大学、苏州工业园区蒙纳士科学技术研究院李之考博士，联合澳大利亚昆士兰大学、澳大利亚技术科学与工程院院士张西旺教授，成功开发了一种采用乙二胺四乙酸（EDTA）辅助的疏松纳滤膜工艺，实现了对盐湖锂资源的高效提取，并同时实现了盐湖镁资源的增值利用。2024年10月22日，这一突破性成果以“Sustainable lithium extraction and magnesium hydroxide co-production from salt-lake brines”为题，发表在Nature Sustainability期刊上，文章的第一作者为博士生雍明，博士生汤蒙为共同第一作者。
研究背景
随着全球能源结构的转型和电动汽车产业的快速发展，锂资源的战略地位日益凸显。预计到2050年，全球对锂的需求将增加18至20倍。如何高效且可持续地开发锂资源，成为当前亟待解决的战略问题。目前，锂资源主要来源于硬岩矿和盐湖卤水。虽然硬岩矿提取速度较快且锂浓度高，但化学品消耗量大且对环境影响显著。相比之下，盐湖卤水占全球锂资源62.6%，因其资源丰富、开采成本低，备受关注。然而，传统的卤水提锂工艺存在诸多问题：首先，蒸发-沉淀周期长达两年，难以满足快速增长的市场需求；其次，卤水中镁锂比例较高，增加了后续提纯的难度并产生大量固体废弃物；此外，生产一吨碳酸锂需耗废接近500立方米淡水，进一步加剧了盐湖地区的水资源压力。这些问题严重限制了盐湖锂资源的高效开发利用。为了应对这些挑战，直接盐湖提锂（DLE）技术应运而生。吸附法、电化学法和膜分离法等新兴分离技术通过利用锂、镁离子的物理化学性质差异实现选择性分离，展现出良好的应用前景。然而，由于锂、镁离子物化性质相近，这些技术在实际应用中仍面临分离效率低、材料合成复杂、运行不稳定等挑战。同时，现有DLE技术难以有效处理高盐度和成分复杂的盐湖卤水。
技术创新
为应对上述挑战，研究团队开发了EDTA辅助的疏松纳滤（EALNF）工艺，通过EDTA与镁离子的选择性螯合作用，显著放大了锂、镁离子在电性和尺寸上的差异，实现了锂资源的高效提取以及镁资源的有效增值利用。在处理高盐度、多组分的卤水（127.06 g/L，含有Li+、Na+、K+、Mg2+、Ca2+）时，该工艺实现了接近100%的镁截留率，锂离子通量达到4.34 mol·m-2·h-1，锂镁分离系数高达约679，相较于现有纳滤技术提高了一个至两个数量级。通过两级过滤，锂离子全流程回收率高达90%，远超传统的蒸发-沉淀法（30-50%），并成功生产出电池级碳酸锂产品。此外，EDTA可实现接近100%的循环利用，且将盐湖中的镁资源转化为高附加值的纳米级氢氧化镁产品。碳酸锂作为锂电池和其他储能设备的关键原料，纳米级氢氧化镁因其优异的粒度和形貌调控能力，在橡胶阻燃、生物医药、碳捕集、污水处理等领域具有广泛应用。相比传统蒸发-沉淀工艺，该工艺省去了耗时的盐田晾晒步骤，将生产周期从1-2年大幅缩短至1-2个月。这不仅大幅提升了生产效率，而且能更有效响应快速变化的市场需求。EALNF工艺在经济性与环境友好性方面表现突出。例如，该工艺可在不稀释或仅少量稀释卤水的条件下运行，显著减少了淡水消耗，且每生产一吨碳酸锂能够产生251.9立方米的淡水，这对水资源紧缺的盐湖地区尤为重要。
本文亮点
图1：锂提取工艺对比图：蒸发-沉淀法与EDTA辅助疏松纳滤（EALNF）法。
EALNF工艺展现出高效稳定的分离性能。该工艺通过EDTA与镁离子的选择性螯合，显著放大了锂、镁离子之间的物理化学性质差异，从而显著提高了分离效率。如图1所示，EALNF工艺不仅有望取代传统的盐田晾晒步骤，还可替代吸附法和传统纳滤工艺。
图2：盐湖卤水资源的综合利用及经济性分析。
EALNF工艺可有效转化盐湖镁资源。为提高工艺的经济性并最大限度地减少环境影响，研究团队实现了接近100%的EDTA4-回收。同时生成的纳米级氢氧化镁呈现出多种有序的纳米结构，包括纳米花形状（尺寸约为250 nm）、六边形纳米片（尺寸约为200 nm）以及规整的纳米小球（尺寸约为100 nm），其在阻燃剂或催化剂领域具有广泛应用潜力。
EALNF工艺具有经济与环境优势。传统工艺每生产一吨碳酸锂，会产生119吨固体废物，给盐湖地区带来严重的生态压力。相比之下，新工艺不仅提高了锂的回收率（可达90%，传统方法仅为30-50%），还将Mg2+废弃物转化为高附加值产品，极大提升了盐湖资源的综合利用效率。在淡水资源方面，新工艺可大幅降低淡水消耗，同时每生产一吨碳酸锂还能额外产出251.9立方米的淡水，这对淡水资源紧张的盐湖地区尤为关键。在经济性方面，研究团队通过物料流分析评估了新工艺的可行性。以龙木措湖卤水为例，新工艺不仅能生产电池级碳酸锂，还能同时生产纳米结构的Mg(OH)2，其总利润是传统工艺的3-4倍。与其他盐湖提锂技术相比，该工艺具有较高的工业成熟度，流程简便等优势，具有广阔的工业应用前景。（来源：科学网）
相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41893-024-01435-2
