盖世汽车讯 据外媒报道，神户大学（Kobe University）研究人员及其合作者开发出一种聚合物膜，该膜能让单电荷离子快速通过，同时有效阻隔多电荷离子（无论其带正电还是负电）。相关研究成果已发表在期刊《科学进展》（Science Advances）上。

图片来源：神户大学

通过构建埃（Å）尺度的互连含水通道，研究人员实现了从富镁卤水中高效富集锂，并从模拟海水中高纯度地回收盐分，这为实现可持续的资源回收开辟了新的可能。

分离有价离子的挑战

锂对于电动汽车和可再生能源存储系统所使用的可充电电池至关重要。然而，从天然盐湖卤水中回收锂仍是一项艰巨的挑战，因为这些溶液中往往含有大量的镁及其他溶解盐类。在海水处理过程中也存在类似难题，即必须从复杂的溶解离子混合物中分离出有价值的盐类。

基于膜的分离技术为传统的化学处理方法提供了一种极具前景的替代方案；然而，现有的膜材料往往面临一个根本性的权衡：离子传输效率与选择性难以兼得。扩大膜通道虽能促进离子迁移，却也会导致不需要的离子随之通过；而缩小膜通道虽能提升分离效果，却又会牺牲传输效率。

此外，传统的离子交换膜通常仅针对带正电或带负电的离子。如何开发出一种能够有效区分单价与多价离子（且同时适用于阳离子和阴离子体系）的膜材料，依然是一个重大的技术挑战。

在分子尺度上构建水通道

为克服现有局限，神户大学膜工程研究人员Lin Yuqing、Matsuyama Hideto及其同事开发出了一类新型离子交换膜，该膜基于由Tröger's base衍生的多孔有机聚合物。

研究人员通过结合特制的分子构筑单元，构建出一种刚性的三维聚合物网络，其中包含相互连通、孔径约为 0.5–0.7 纳米的孔隙。

随后，他们引入了带电官能团，在保持膜结构稳定性的同时，促进了连续的、充满水的路径（即“水合通道”）的形成。与主要依赖调节孔径或膜电荷的传统方法不同，该策略能够同时调控孔隙结构、连通性以及离子迁移所处的局部化学环境。

“关键不仅在于缩小膜孔，还在于调控水分子在膜孔内的排列与连接方式，”Lin解释道，“通过对这些水合通道进行工程化设计，我们既能促进单价离子的迁移，又能为多价离子构筑起坚固的屏障。”

实验与分子模拟研究表明，该膜的选择性源于多种机制的协同作用。单价离子能够对其周围的水分子进行一定程度的重排，从而以相对较低的阻力穿过狭窄通道；而多价离子则因更强的水合作用、空间限域效应以及静电相互作用，面临着高得多的迁移壁垒。

具体而言，带正电的镁离子会受到空间限域和静电排斥作用的阻碍；而带负电的硫酸根离子则会与膜内的带电位点发生强结合，从而受到迁移限制。这种在阳离子和阴离子体系中均能区分单价离子与多价离子的能力，正是该新型膜的一大显著特征。

从选择性离子迁移到锂回收

为了验证该膜的实际应用潜力，研究人员将其应用于一个三级电渗析工艺中，用于从富镁盐湖卤水中回收锂。电渗析利用电场驱动溶解离子穿过选择性膜，从而实现目标离子的分离与富集。

经过三级分离，卤水中的镁锂比从最初的约 40 降至仅 0.08，降幅近 500 倍。

随后，富锂溶液被转化为结晶态碳酸锂，纯度达到 99.5%。该膜在超过 400 小时的连续电渗析运行过程中，始终保持了稳定的分离性能，展现出在严苛工况下长期使用的潜力。

除了回收锂之外，研究人员还证明，同一种膜能够从模拟海水中选择性地富集氯化钠。

经过处理后，在富集溶液中，钠离子和氯离子占所测离子总质量的99.4%。这些研究结果凸显了该膜设计的多功能性——它不仅限于单一应用，还能实现对不同离子混合物的选择性分离。

Matsuyama表示：“能够将快速离子传输与精确的选择性相结合，是膜分离技术向前迈出的重要一步。这种方法为从复杂水溶液中回收宝贵资源提供了新的契机。”

迈向更可持续的资源回收

研究结果表明，通过在分子层面调控充满水的通道，可以克服离子传输效率与选择性之间长期存在的权衡难题。该膜兼具快速传输、出色的离子识别能力和结构稳定性，为实现资源利用效率更高的分离过程提供了一个极具前景的平台。

后续研究将重点评估该膜在实际工业用水和天然水源中的表现，改进大规模膜制备工艺，并将此技术集成到实际的分离系统中。

除了锂提取和盐分纯化之外，该方法还有望应用于未来的膜技术，助力资源回收、废水处理及其他电化学分离过程。