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14
2026
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01
孔径和电荷调控助力纳滤膜实现硫酸盐的精准筛分
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冶金、采矿、锂电池回收等行业产生的大量硫酸盐废水，成分复杂、处理难度大，却也是潜在的“再生资源”。如何从中高效、精准地回收锂等有价金属，是资源循环领域的重大挑战。近年来，纳滤技术由于具有优异的一价/多价离子分离性能，在氯离子/硫酸根离子、氯盐体系中一价和多价阳离子的选择性分离中备受关注。但在处理硫酸盐废水时，传统荷负电的纳滤膜却陷入两难：首先，带负电的膜会强烈排斥同样带负电的硫酸根离子，加上硫酸根离子本身尺寸较大，导致其截留率过高。同时，多价阳离子与膜之间的静电吸引，降低了他们的截留效果，难以实现与一价阳离子的高选择性分离。
针对这一难题，中国科学院过程工程研究所生物膜分离技术与应用团队通过在纳滤膜表面接枝聚乙烯亚胺，实现了荷负电纳滤膜的孔径和荷电性调控（图1）。在纳滤膜中引入正电荷的策略一方面可以通过静电吸引促进硫酸根离子的渗透，同时借助静电排斥提高对多价阳离子的截留。此外，为维持电荷平衡，一价阳离子的透过性也会大幅提升，从而实现硫酸盐体系中一价/多价阳离子的高选择性分离。如图2所示，膜孔尺寸是决定硫酸盐体系分离选择性的关键，合适的膜孔尺寸能有效拦截水合半径较大的二价阳离子，同时允许硫酸根离子自由通过，这是实现分离的基础。膜表面的正电荷是“增效器”，强化了二价阳离子的截留和硫酸根离子的透过，显著锐化了纳滤膜的分离选择性。
性能测试结果（图3a、b）证实了这种猜想，与原膜相比，所有改性膜对Mg²⁺的截留率均有所提高，对Li⁺的截留率大幅下降，由此提升了改性膜对Mg²⁺/ Li⁺的分离因子。对于孔径相当的纳滤膜（NF5-10k vs. NF8-10k、NF7 vs. NF7-10k）而言，荷正电性越强，分离选择性越高。但在3种改性膜中，膜孔径最小的NF7-10k即使表现出最弱的荷正电性，却收获了最高的Mg²⁺/Li⁺的分离因子（>95）；同时荷负电的NF7和带有最强正电性的NF5-10k具有相当的Mg²⁺/Li⁺分离因子，这充分说明合适的膜孔尺寸在硫酸盐的精确筛分中起决定性作用。同样，NF7-10k对其他多种二价阳离子也表现出较高的截留率(>98%)，因此获得了令人满意的分离效果（图3c）。
图3 不同的膜对Mg²⁺和Li⁺的截留率（a）、Li+纯度与Mg²⁺/Li⁺分离因子（b）、对不同混合硫酸盐溶液的分离因子（c） 开展24h的连续分离实验进一步评估了NF7在改性前后分离性能的稳定性（图4），实验结果表明NF7和NF-10k在测试期间均保持较稳定的渗透通量（16.7 vs. 15.5 L·m⁻²·h⁻¹·bar⁻¹）和分离因子（25 vs. 95-150）。特别是经过一级过滤，NF7-10k能将Li⁺纯度从5%左右提升至85%，经过二级过滤，Li⁺纯度可达93.5%。同时选用废水处理中常用的两种模型有机污染物（牛血清白蛋白和腐殖酸）考察了NF7-10k的抗污染能力，实验结果表明，NF7-10k和NF7在两种污染物体系下均表现出一致的通量衰减趋势。说明NF7-10k在硫酸盐废水的资源化利用中具有良好的应用潜力。
图4 NF7 (a)和NF7-10k (b)对镁锂混合硫酸盐的连续分离性能；在两段纳滤过程中Mg²⁺/Li⁺分离因子和 Li⁺纯度(c)；NF7和NF7-10k在两种模型污染物体系下的渗透通量衰减情况（d，e）
本研究通过表面接枝策略调控荷负电纳滤膜的膜孔径和荷电性，实现了纳滤膜对混合硫酸盐体系的高选择性分离。该研究为从复杂工业废水中精准回收有价金属提供了一条高效、可行的新路径。本研究得到了中国科学院战略性先导科技专项（XDC0230204），相关研究成果近日以题目为《Precision sieving of sulfates using positively charged nanofiltration membranes》发表在Desalination 623 (2026) 119832（点击文末阅读原文直达）。
中国科学院过程工程研究所生物药制备与递送全国重点实验室、哈尔滨工程大学烟台研究院在读硕士研究生
通讯作者：中国科学院过程工程研究所-陈向荣副研究员，主要从事高性能分离膜的制备、改性及功能化研究。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/tCOuCdU2jItlPAE7OzoZ0w
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