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27
2026
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08
AFM: 天然凹凸棒石亚纳米通道调控，实现脱盐与锂镁分离
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背景
随着全球淡水需求持续增长以及新能源产业快速发展，*海水淡化与盐湖提锂已成为水资源和关键矿产领域的重要需求。纳滤膜凭借低能耗、易集成等优势，为上述过程提供了重要技术路径，而其核心在于构筑尺寸*、传质*的亚纳米离子通道。近年来，COF、MOF及超分子组装材料等被用于构筑规则纳米通道，但复杂的合成过程、材料稳定性、聚合物相容性以及规模化制造等问题仍限制其实际应用。与此同时，现有膜材料通常针对单一分离任务设计：脱盐需要致密亚纳米通道阻挡盐离子并快速输运水，而Li⁺/Mg²⁺分离则需要进一步利用离子尺寸及特异性相互作用实现*识别。如何基于廉价、天然且易规模化的材料，通过简单调控获得不同亚纳米通道结构，实现“一种材料体系、多种分离功能”，仍是膜材料设计中的重要挑战。
创新
近日，兰州大学汪宝堆教授团队以天然凹凸棒石纳米棒为基础构筑PAL–羧甲基纤维素（CMC）杂化膜，利用PAL自身约3.7 Å × 6.4 Å的一维亚纳米通道及丰富的离子交换位点，通过水相配位驱动自组装和可控酸刻蚀，实现同一材料平台在脱盐与Li⁺/Mg²⁺分离之间的功能切换。在脱盐模式下，紧密组装的PAL纳米棒形成低缺陷膜层并保留其天然亚纳米通道，通过尺寸筛分与Donnan排斥协同实现快速水传输，水渗透率超过23 L m⁻² h⁻¹ bar⁻¹，同时Na₂SO₄截留率超过99%。更具特色的是，研究人员进一步对PAL纳米棒进行可控酸刻蚀，在扩展亚纳米通道的同时构筑Mg²⁺离子印迹识别位点：Mg²⁺可被较小通道阻挡或被印迹位点选择性捕获，而Li⁺则能够沿扩展后的通道快速迁移，使膜在混合盐体系中的Li⁺/Mg²⁺选择性达到约175。分子动力学模拟进一步揭示了水和Li⁺在不同亚纳米通道中的快速选择性传输机制，实现了从“保留天然孔道”到“刻蚀孔道+离子印迹”的*准功能调控。
意义
该研究的突出意义在于，将天然黏土材料本征的规则亚纳米通道、离子交换能力与可调表面化学整合到一个可规模化的膜平台中，使同一种PAL–CMC材料体系能够通过不同的通道工程分别服务于水分子筛分和Li⁺/Mg²⁺选择性传输。相比重新合成复杂人工纳米孔材料，这种基于天然凹凸棒石、CMC和水相组装的策略具有原料丰富、制备简单和环境友好等特点，同时所得膜还表现出良好的机械稳定性、长期运行性能以及抗污染和抗菌能力，通量恢复率达到94.6%。更重要的是，该工作表明亚纳米膜的功能设计不仅可以依赖“孔径大小”，还可以将几何限域与离子印迹识别协同起来，通过同时调控通道尺寸和离子–通道相互作用实现功能转换。这种“一种材料平台、两种分离功能”的设计思路，为天然矿物材料从低成本原料向*离子传输材料转变提供了新的方向，也为未来海水淡化、盐湖提锂及复杂卤水关键资源回收提供了具有规模化潜力的膜材料方案。
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/QYuJv0GXiuXxXRBALEcDmQ
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