中文 EN

新闻资讯

NEWS CENTER

首页

2026

膜技术前沿丨天津工业大学何本桥教授团队《Adv. Membr.》论文：单价/单价离子电纳滤分离

作者：

碱金属离子分离在盐湖提锂、钾盐回收、资源再生等工业场景中具有关键应用价值，然而因其物化性质的高度相似，其**分离一直是膜分离领域长期存在的重大挑战。天津工业大学何本桥教授团队在Advanced Membranes期刊发表了题为“Mono-/monovalent ions separation through an electro-nanofiltration”的研究，创新性地提出一种电场辅助纳滤分离策略，在多价阳离子与外加电场的协同作用下，成功实现了K⁺/Li⁺的有效分离。通过施加外部电场，多价阳离子在膜表面累积，增强正电荷密度，并产生强烈的近表面电场。在近表面电场和外部电场的协同作用下，水合能较低的离子（K⁺·nH₂O）优先发生脱水，导致分离过程在水合离子（Li⁺·nH₂O）和脱水离子（K⁺）之间进行，将传统纳滤的离子传输活化能差从-0.4 kJ·mol^-1显著提升至8.0 kJ·mol^-1，S_K,Li最高达到3.2。这项工作为碱金属离子的**分离提供了全新思路。

电场辅助纳滤系统的构建

如图1所示，本研究构建的电场辅助纳滤系统集成了传统错流纳滤装置与电场施加模块，以Ru-Ir-Ti电极为阳极、不锈钢网电极为阴极，两极平行于膜表面布置，用以形成垂直于膜面的均匀电场，电极间距固定为1 mm，膜有效过滤面积为7.06 cm²。实验中选用自制聚酰胺纳滤膜作为分离层。在操作过程中，通过外部直流电源提供恒定电压，协同压力驱动力，使离子在电场力和压力的共同作用下穿过纳滤膜。K⁺/Li⁺分离性能在总浓度2000 ppm的KCl、LiCl和MCl_x混合盐溶液中进行评估，操作压力为5 bar，其中“M”代表多价阳离子（如Ni²⁺、Ca²⁺、Mg²⁺或Fe³⁺）。

电场辅助纳滤系统的离子分离性能

考察了在不同浓度的多价阳离子存在下，电场辅助纳滤系统对K⁺和Li⁺的截留表现。如图2所示，在不添加多价阳离子时，即使增加跨膜电压，K⁺和Li⁺的截留率也非常接近，S_K,Li范围为0.9-1.0。添加Ni²⁺后，在高于2 V的电压下，K⁺和Li⁺截留率产生显著差异，并随Ni²⁺浓度增加而放大。这表明多价阳离子和外加电场的存在是实现单价离子电场强化分离的前提条件。在2.75V电压、Ni²⁺:K⁺:Li⁺质量比20:1:1的最优条件下，K⁺/Li⁺分离系数最高可达3.0。

进一步考察了其他多价阳离子（Mg²⁺、Ca²⁺、Fe³⁺）对电场辅助纳滤系统的K⁺/Li⁺分离性能影响。如图3所示，分离性能遵循Fe³⁺ > Ni²⁺ > Mg²⁺ > Ca²⁺的顺序。这与阳离子同膜表面官能团（羧基、酰胺基）的络合稳定性常数一致：络合越强，膜表面正电荷密度越高，产生的近表面电场越强，从而更有效地促进离子的选择性输运。同时，测试结果显示，所有多价阳离子在电压高于2.5 V时，截留率均可稳定在99%以上，不会进入透过液影响锂、钾产品的纯度。

膜表面电荷特性与多价阳离子络合行为

采用SurPASS-3电动分析仪与ICP-OES，系统表征了不同运行条件下纳滤膜的表面zeta电位与多价阳离子吸附密度。如图4所示，原始纳滤膜带负电，但在电场辅助纳滤过程中，多价阳离子在电场驱动下向膜面迁移并发生络合，使膜表面Zeta电位正向偏移。这种Zeta电位正向偏移在更高电压、更高Ni²⁺浓度下尤为明显。进料液pH的降低会因质子化竞争抑制络合反应，从而减弱膜表面的正电荷化程度。不同种类的多价阳离子基于其价态与络合能力的差异，对膜面电荷特性表现出不同的调控效果。膜表面多价阳离子的吸附密度变化与zeta电位变化规律高度契合，且离子分离性能与膜表面zeta电位、吸附密度的提升呈正相关，充分证实这种膜表面电荷特性的动态重构，是决定电场辅助纳滤系统单价离子分离的关键。

离子传输过程活化能与分离机制解析

为阐明电场辅助纳滤过程中单价离子分离的动力学机制，通过温度依赖实验，结合Arrhenius方程计算了三种典型条件下K⁺和Li⁺的传输过程活化能（图5）。（1）在有Ni²⁺但无电场（0 V）条件下，Ea_K+和Ea_Li+分别为17.4和17.0 kJ·mol^-1，ΔEa为-0.4 kJ·mol^-1，表明两者传输阻力相近；（2）在无Ni²⁺但施加2.75 V电场条件下，Ea_K+和Ea_Li+分别降至14.6和12.2 kJ·mol^-1，ΔEa为-2.4 kJ·mol^-1，负电荷表面略微促进传输但无显著分离；（3）在有Ni²⁺并施加2.75 V电场条件下，Ea_Li+大幅升至25.2 kJ·mol^-1，而Ea_K+为17.2 kJ·mol^-1，ΔEa差异显著增加，达到8.0 kJ·mol^-1，显著提升K⁺/Li⁺选择性。在电场辅助纳滤过程中，Ni²⁺络合和电场的协同作用增强膜表面正电荷密度，产生强烈的近表面电场。在外加电场与近表面电场的双重协同作用下，水合能更低的K⁺（295 kJ·mol^-1）发生优先脱水，而水化能更高的Li⁺（475 kJ·mol^-1）需克服更高的能垒才能完成脱水，从而实现Li⁺·nH₂O和K⁺之间的分离。

总结与展望

总之，我们通过电场辅助纳滤技术，**在聚酰胺纳滤膜上实现了单价/单价离子分离。在外部电场的作用下，多价阳离子在膜表面积累，产生更强的近表面电场。在外部电场和近表面电场的协同作用下，水合能较低的K⁺·nH₂O优先脱水，将K⁺与Li⁺的传输活化能差从-0.4 kJ·mol^-1显著放大至8.0 kJ·mol^-1，最优条件下K⁺/Li⁺分离系数可达3.2，同时可拓展至K⁺/Na⁺、Na⁺/Li⁺等单价离子分离体系。该策略为单价离子**分离提供了全新的技术路径，也为纳滤膜的选择性调控与高性能分离过程开发拓展了新的思路。

原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/5fOnaegCijqB9Wo3HAHScg