Nat Sustain:李之考/张西旺团队实现盐湖提取锂镁资源新突破
- 发布人:中国镁质材料网
- 发布时间:2024-11-14
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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,博士生雍明,博士生汤蒙为共同第一作者。
01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。
02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。
03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。
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