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2026
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SPT｜通过缓聚剂构建PEI-TMC纳滤膜实现高效镁锂分离
作者：
英文题目：
Construction of an ultrathin separation layer of PEI-TMC NF membrane via a retarder for high-efficiency Li⁺/Mg²⁺ separation
中文题目：
通过缓聚剂构建PEI-TMC纳滤膜超薄膜分离层实现高效Li⁺/Mg²⁺分离
期刊信息：Separation and Purification Technology
发表日期：2026年1月15日
DOI: 10.1016/j.seppur.2025.136510
摘要内容：
盐湖提锂常受高浓度Mg²⁺干扰，高效降低Mg²⁺并实现Li⁺/Mg²⁺分离是回收锂的关键。纳滤（NF）可高效截留多价离子，但传统正电荷NF膜制备时渗透通量低、选择性不足。本研究引入环保廉价的柠檬酸钠（SC）作为“缓聚剂”，调控分离层形成、抑制膜过度增厚，同时通过静电作用保留更多–N⁺基团，增强膜面正电性。改性膜水通量由4.9 LMH/bar升至12.75 LMH/bar，增幅约157%；模拟盐湖卤水中分离因子达91.91；三级NF处理真实卤水后Li⁺/Mg²⁺比降至0.199，表现出优异渗透与分离性能。该策略为开发高性能锂镁分离NF膜提供新思路。
研究背景与意义：
锂电需求爆发使盐湖提锂成为战略焦点，但卤水中Mg²⁺与Li⁺化学性质相似，高Mg/Li比一直是分离瓶颈。现有沉淀、萃取、电化学法能耗高、污染大；纳滤因孔径/Donnan效应被寄予厚望， yet 传统PEI-TMC正电荷膜因PEI链间氢键强、界面聚合过快，所得聚酰胺层过厚致密，通量骤降且Li⁺/Mg²⁺选择性受限。此前研究多依赖合成高分子或昂贵单体/纳米材料改性，成本高、毒性大、环境风险高。本工作首次将食品添加剂柠檬酸钠（SC）作为水相缓聚添加剂，利用其羧酸根与PEI铵根静电络合，延缓PEI扩散、抑制交联度，同步提升膜面正电荷，实现“更薄、更正、更通”的分离层，解决通量-选择性权衡难题，兼具绿色低成本优势。
实验步骤：
以聚砜超滤膜（US020, 20 kDa）为基膜，第一步将其浸入含PEI与不同质量分数SC（0、0.05、0.075、0.1 wt%）的水相溶液5 min；取出沥干至表面无可见液滴后，立即浸入0.15 wt%均苯三甲酰氯（TMC）正己烷有机相30 s；排出有机相，80 °C烘箱热固化5 min；去离子水储存备用，对应膜命名为PEI/SCx-TMC。随后通过FTIR、XPS、SEM、AFM、水接触角、zeta电位、MWCO（PEG/糖截留）等手段表征化学组成、形貌、荷电性与孔径；以错流平板装置（25 °C, 0.6 MPa）测试纯水通量、单盐/混盐（2000 ppm）截留率，计算分离因子S(Mg²⁺/Li⁺)；用BSA及过饱和CaSO₄溶液评价耐污染/耐scaling性能；并以真实西台吉尔盐湖卤水（稀释2000倍）进行三级纳滤连续120 h稳定性验证，离子浓度由ICP-OES测定。
主要结果与结论：
1. 最佳SC添加量0.075 wt%时，聚酰胺层厚度由140 nm减至61 nm，水通量12.75 LMH/bar，较空白膜提高157%；
2. Mg²⁺截留率从93.2%升至96.1%，Li⁺截留略增，Li⁺/Mg²⁺分离因子高达91.91；
3. 模拟高Mg/Li比（110）卤水经一级NF后渗透液Li⁺/Mg²⁺比降至0.426；真实卤水两级NF后Mg²⁺浓度由113.9 mg/L降至0.125 mg/L，Mg/Li比从63.8降至0.199，通量稳定在9.9 LMH/bar以上；
4. 改性膜水接触角降至41.6°，亲水性提升，BSA污染后通量恢复率优于空白膜，120 h连续运行性能无衰减；
5. SC为食品级添加剂，环境与健康风险远低于文献常用合成改性剂，且成本低廉，综合性能-成本优势明显。
详细机理：
SC溶于水后解离出Cit³⁻，其多羧酸根与PEI链上–NH₃⁺产生强静电络合，形成PEI-SC聚电解质复合物。该复合物在界面聚合前“锚定”部分PEI，降低水相-有机相界面处游离PEI浓度，显著延缓PEI向界面扩散速率，抑制与TMC的过度交联，使聚酰胺层变薄、交联度（O/N比）几乎不变；同时未反应PEI链段因静电作用被“保留”在膜表面，质子化–NH₃⁺数量增加，膜面正电荷密度提升。薄层降低水传输阻力，正电荷增强Donnan排斥Mg²⁺，二者协同实现高通量-高选择性。当SC过量时，过多PEI-SC复合物沉积并嵌入分离层，反而增厚膜层且电荷中和，性能下降，故存在0.075 wt%的最优值。该“静电缓聚-电荷增强”机制为绿色低成本构筑高性能锂镁分离纳滤膜提供了普适新策略。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XCtN9MMC4m-0mJG_BPgZPw
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