可控气体分离膜技术：为盐湖提取锂资源提供更多可能

气体分离膜技术快速发展

气体分离在工业领域有着广泛应用。不管是从空气中分离氮氧，在石油裂解混合气中分离氢、一氧化碳，还是从合成氨尾气中回收氢，在水泥电力行业进行尾气收集、固碳处理，都离不开气体分离。3月25日，发表于《科学》的一项最新研究，介绍了一种新型梯形聚合物（ladder polymer），研究人员通过分子结构调控使聚合物在“老化”过程中，增强其气体选择性，同时保持高渗透性能（通过效率）。该技术为选择性控制膜聚合物分子设计提供了新的可能。

气体分离膜是近年来发展很快的一项技术。不同的高分子膜对不同种类气体分子的透过率和选择性不同，因此可以从气体混合物中选择分离某种气体。然而，受分离膜渗透性和选择性等因素限制，传统上膜分离法效果并不理想，工业上成规模的气体分离多采用化学分离，但化学分离过程复杂且耗能较高。有数据表明，目前化学分离约占世界能源消耗的近15%。所以迄今为止，设计可用于高效、大规模分离气体的分离膜一直是一项挑战。为了突破这些限制，美国麻省理工、斯坦福大学和英国曼彻斯特大学的研究人员开发了一种梯形聚合物，可实现高选择性和渗透性。

这种梯形聚合物具有很刚性扭曲带状大分子链结构，其分子很难紧密地紧密排列，从而产生很小的孔。部分气体能通过这些小孔，而另一些不能通过，因此就可实现气体分离。这些聚合物的分子通常是“非平衡排列”，随着时间的推移，其分子排列会变得越来越紧密，从而造成分离膜老化。目前，该团队只是发现这种材料的奇特现象，但为什么某些梯形结构会出现这样的过滤特性，研究人员“还没弄明白”。

距离应用还有多远

可控膜分离技术的应用还是很广的：比如，在水泥、钢铁制造行业，对排放的二氧化碳进行收集固碳。比如，分离二氧化碳和甲烷，进行天然气提纯。比如进行氮氧分离，氢气制备和提纯。膜分离就是一个过滤过程，相对节省大量能耗，对环境无害，操作也相对简单。研究团队模拟了不同条件二氧化碳和甲烷按不同比例混合起来进行分离，发现这种材料是目前性能最好、分离效率最高的高分子材料。目前，该技术还处于基础研究阶段，实验室只制备出了几克这种材料。

新闻回顾：盐水胡提取锂

不久之前，比尔·盖茨旗下投资基金投资了一家规模非常小的锂加工初创公司Mangrove Lithium，该公司尚未盈利，也没有客户，公司团队甚至只有七人，却可能是锂资源行业潜在的“规则改变者”。过去十年，随着对电动汽车的需求持续增长，对锂的需求也持续增长。由于锂是最轻的金属，具有最高的电荷重量比，因此被用于电动汽车的电池。

到2030年，电动汽车用电池数量和尺寸的增长将占到锂需求的90%以上。该公司还预计，到2030年，碳酸锂的需求量将从2020年的约35.4万吨增加到257万吨。但这种需求可能难以满足，不是因为锂的数量有限，而是因为将锂转化为电池行业可以使用的形式的资源有限，不仅如此，锂的提取和加工通常是效率非常低的，目前运用主流技术提锂，提锂率大约只有50%。2017年，Dara和他的同事从加拿大联邦政府那里获得了资金，用于海水淡化和化学品生产，并将这项技术变成了一家公司，目前该公司在加拿大西部进行海水淡化项目。2018年，南美的一家锂生产商对Mangrove团队能否将氯化锂（一种在采矿过程中从地下提取的锂的特殊形式）加工成氢氧化锂产生了兴趣。

尽管Mangrove技术方案在小范围生产中获得认可，但其尚未被应用于规模化量产，甚至还未建立其第一个商业化量产工厂。正如加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）教授Zheng Chen所说Mangrove直接生产高纯碳酸锂和氢氧化锂的能力令人印象深刻，但扩大生产规模可能是一个挑战。看起来他们已经展示了合理的规模，但他们能否在保持成本效益的同时以10000吨的规模生产高纯度锂盐？如果他们可以，这将改变游戏规则。

盐湖提锂大有可为

经过几十年的开发，玻利维亚希望终于找到了一种成功的方法来开发其世界一流的锂储量。玻利维亚锂资源主要分布在波托西省的乌尤尼盐沼，它是世界上面积最大的盐层覆盖荒原，亦称之为“天空之境”，占地面积约为1万平方米。根据美国地质调查局(USGS)的数据，玻利维亚有2100万吨卤水锂储量，但迄今为止还没有找到开采它的最佳方式。去年12月，玻利维亚与德国ACI Systems公司成立了一家合资企业，在乌尤尼盐滩沼附近建设了四个工厂，其中包括一家生产锂离子电池的工厂。

2021年4月，我国公司在青海柴达木盆地大柴旦盐湖矿区，先后利用新型萃取体系在年 产碳酸锂50 吨中试线和 8000 吨生产线上运行。截至目前，生产体系运行平稳， 锂萃取收率大于 95%，反萃率大于 95%，反萃液中氯化锂浓度一次浓缩 20 倍达到 200g/L 以上，锂与镁等杂质分离效果优异，其中镁锂分离系数大于 10000。

膜分离技术

将对盐湖锂提取有何帮助

东台吉乃尔盐湖和一里坪盐湖镁锂比较高，若使用传统方式进行提取，具有锂元素难以分离的困难。我国盐湖提锂的相关技术主要包括吸附法、煅烧法、膜分离法以及溶剂萃取法等。常规技术工艺溶媒萃取、沉淀法、铝酸盐沉淀法等提取工艺成本较高昂，之前大部分锂为锂矿石提取，而目前使用的较多为盐湖卤水提取，我们研究的新工艺可以降低相关成本与锂的纯净度。

与传统方法相比，膜分离进行盐湖卤水提锂有效价值更多。膜分离法的核心在于通过外力作用，这种方法分离效果好、不含废渣以及废弃废水的排放，且操作过程中无危险部分、生产成本较低，目前均已实现量产。应用纳滤膜元件可实现高酸度下的稳定运行，大大减少中和成本，工艺整合减少投资。

陆地的锂资源有限一直都是新能源领域所担忧的难题，尽管不少科学家已经提出了解决方法，但是实用性并不高。此前来自美国斯坦福大学的崔教授团队在《焦耳》期刊上发表了他们关于提取锂资源的最新研究论 。该论 表示他们的团队已经成功地提高了从海水提取锂的效率，这可能是实现锂资源充足供应的重要一步。实际上早在十几二十年前就有科学家想到了，既然陆地上的锂资源有限，为什么不开发海洋中的锂资源呢？而且研究表明，全球海洋中含有锂资源超过1800亿吨，如果能够开采其中的一半就足以让人类使用很长一段时间。最终，我们将这些资源提取出来，制造锂电池，为人类提供新的能量~

番外篇：关于锂电池制造

被替代还是技术革新

提取了锂资源，下一步就是进行锂电池的规模化制造，在锂电池的规模化生产时，对制备工艺和环境都有着很高的要求：干燥，洁净等等；所以一般是需要使用真空手套箱来配合生产线进行生产的：手套箱是作为一个全密闭的腔体，把腔体内外的环境完全隔绝开，腔体的一面安装有视窗 和手套，操作人员通过手套对腔体内的物料进行操作：在操作前，对整个箱体抽真空，把箱体内空气完全抽掉，降低水氧含量至0.1ppm以下，然后填充惰性气体气体进行生产。

此前，有科学家建议，钠元素资源丰富，并且价格还十分低廉，等到这一产业链成熟后，往后在低速电动车领域钠离子电池将会成为首选，毕竟成本低廉。而高端车可能会继续使用锂离子电池，毕竟有些性能钠电池是无法代替的。目前，锂离子电池核心原材料碳酸锂的价格持续上涨，从4万元每吨上涨到了超过14万元每吨，成本压力之下，锂离子电池会不会被其它电池取代？还是真的利用更好的技术从盐湖中获得锂资源？

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