WR||消除 pH 影響：雙基質調控吸附劑實現從濃縮海水中高效提取鋰

隨著全球綠色能源戰略的推進，鋰資源的需求逐年攀升，從液體資源（如海水、鹽湖）中提取鋰成為研究熱點。吸附法因其簡單、經濟和高選擇性而被廣泛采用，但在實際應用中，吸附效果嚴重受環境pH值影響。在自然pH條件下，雜質離子的競爭吸附和吸附劑表面Zeta電位的差異顯著降低了鋰的提取效率。傳統方法通常通過投加大量堿液來調節pH，但這不僅增加了化學品消耗成本，還對環境造成負面影響。因此，開發一種能夠在自然pH條件下高效工作的吸附劑，對于實現鋰資源的經濟、環保開發具有重要意義。

本文針對現有鋰離子篩吸附劑受pH限制的問題，提出了一種“雙基質調控”策略，制備了新型吸附劑（Z/C-HMO）。該吸附劑的設計集成了兩項關鍵改性：一是利用兩性季銨堿基團修飾載體基質，通過酸堿中和作用消除雜質離子的競爭吸附；二是對吸附基質表面進行羧基化修飾，賦予其負電荷以減小表面Zeta電位差異，從而消除靜電勢壘。實驗結果顯示，Z/C-HMO在自然條件下表現出卓越的性能，其飽和吸附容量達 28mg g-1，鋰鎂分離系數（選擇性）高達24.23，分別是未改性HMO的6.3倍和7.8倍，且達到了HMO在理想堿性條件下的水平。此外，該吸附劑極大降低了堿耗（僅為傳統方法的0.6%），并在真實鹽湖鹵水和濃縮海水中均展現出優異的提鋰效果及良好的循環穩定性。這項工作通過優化吸附微環境，成功消除了pH的負面影響，為從低品位液體資源中高效提取鋰提供了一種新穎且實用的解決方案 。

相關研究以“Eliminating the effect of pH: Dual-matrix modulation adsorbent enables efficient lithium extraction from concentrated seawater”為題發表在國際知名期刊《Water Research》上。（中科院一區TOP，JCR一區，IF=12.4）

圖1. 雙基質調控吸附劑的作用示意圖：(a) 吸附過程中 pH 對環境因素和吸附劑因素的影響；(b) Z/C-HMO 消除 pH 對吸附效果影響的作用方案 。

圖2. 基質調控吸附劑的表征：(a) 基質調控吸附劑的制備過程；(b) 基質調控吸附劑的 SEM（掃描電子顯微鏡）圖像；(c) 羧基化 HMO（錳系吸附劑）的 SEM 圖像；(d) 羧基化 HMO 的 TEM（透射電子顯微鏡）和 EDS（能量色散X射線光譜）圖像；(e) 不同基質調控吸附劑的 FTIR（傅里葉變換紅外光譜）圖譜；(f) C-HMO 的碳 XPS（X射線光電子能譜）精細圖譜；(g) 不同基質調控吸附劑的 XRD（X射線衍射）圖譜 。

圖3. 吸附劑優選：(a) 不同基質羧基化修飾吸附劑的表面 Zeta 電位；(b) 不同羧基化比例的 C-Z/HMO 的吸附容量；(c) 不同丙烯酸投加量的 C-HMO 的吸附容量；(d) 不同修飾比例的基質調控吸附劑的 XRD 圖譜。

圖4. 基質調控吸附劑的吸附效果及機理：(a) 不同基質調控吸附劑的吸附容量；(b) 自然條件下 Z/C-HMO 與自然及堿性條件下 HMO 的吸附等溫線對比；(c) 不同文獻中吸附劑在自然條件下飽和吸附容量的比較；(d) 中性條件下 Z/C-HMO 與中性及堿性條件下 HMO 的吸附選擇性，內圖顯示自然條件下 Z/C-HMO 與自然及堿性條件下 HMO 的鎂鋰分離系數；(e) 自然條件下 Z/C-HMO 與自然及堿性條件下 HMO 的吸附動力學；(f) 不同鎂鋰質量比溶液中 Z/C-HMO 堿耗比例與傳統方法的比較。

圖5. 雙基質調控吸附劑的機理分析：(a) Z/C-HMO 吸附過程中實際溶液 pH 值與理論計算溶液 pH 值的變化；(b) 羧基化修飾前后吸附劑在自然及堿性條件下的吸附容量；(c) Z/C-HMO 對鋰離子擴散的影響；(d) 羧基化修飾增強吸附劑吸附選擇性的機理圖。

圖6. 基質調控吸附劑實際應用的有效性：(a) Z/C-HMO 在自然 pH 條件下的吸附容量；(b) Z/C-HMO 和 HMO 的重復使用性能及錳溶損率；(c) 重復使用前后吸附劑 FTIR 圖譜的對比分析；(d) Z/C-HMO 和 HMO 在鹽城濃縮海水中的吸附效果。

pH是一個關鍵的環境因素，對離子篩吸附劑的吸附效能有深遠影響。消除pH影響將有助于鋰離子篩吸附在實際液態鋰資源提取中的高效利用。本研究設計并測試了Z/C-HMO在天然和真實溶液中的吸附效能。研究表明，離子篩吸附劑在自然條件下通過雙基質調制表現出與堿性條件下相同的吸附效果。此外，該吸附劑在自然條件下的飽和吸附能力和選擇性顯著高于錳基吸附劑在相同條件下的水平。此外，該吸附劑在真實溶液中進行了測試，發現其在近中性區間以及鹽堿湖和濃縮海水中仍保持吸附效果。雙基質調制主要通過消除競爭性吸附和表面ζ電位差異，增強吸附劑在自然條件下的吸附效能，從而為受pH顯著影響的吸附劑提供了一種新穎方法，以實現增強吸附效果。

DOI:10.1016/j.watres.2024.122571

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