麻省理工学院的 John H. Lienhard 团队近期于Desalination (2025，598, 118411) 期刊上发表了题为 "Emerging membrane technologies for sustainable lithium extraction from brines and leachates: Innovations, challenges, and industrial scalability"的文章，为可持续锂提取技术的发展提出了新的视角。

文章探讨了新兴膜技术在从卤水和浸出液中可持续提取锂方面的创新、挑战以及工业可扩展性。文章从全球对锂需求的激增背景出发，分析了传统锂提取技术的不足，并详细介绍了新兴膜技术的潜力、技术细节以及面临的挑战。

1. 背景与需求

• 锂的重要性：锂是电动汽车和可再生能源存储系统的关键材料，其需求因全球向低碳能源系统转型而急剧增长。

• 传统技术的不足：

• 卤水蒸发：耗时长（12–18个月）、耗水量大（每吨锂碳酸盐需800立方米水），且对生态系统造成破坏。

• 硬岩开采：能源消耗高，产生大量温室气体排放，并可能引发有毒金属污染。

• 地缘政治与经济挑战：锂资源集中在少数国家（如南美“锂三角”和澳大利亚），导致供应链脆弱。

  
  

2. 新兴膜技术的创新

三种新兴膜技术及其在锂提取中的潜力：

2.1 锂选择性配体复合膜

• 原理：利用配位化学，通过嵌入配体（如冠醚、金属-有机框架）选择性运输锂离子。

• 优势：高选择性（锂-镁选择性比可达100:1），减少非选择性表面相互作用。

• 挑战：

• 配体与锂的结合力过强可能导致锂难以回收。

• 在复杂卤水和电池浸出液中，竞争离子可能占据配体位点，降低效率。

• 配体易受有机污染物和无机沉淀物的污染。

2.2 生物模拟离子通道膜

• 原理：模仿生物系统中的离子通道（如水通道蛋白），通过精确设计孔径和表面电荷实现锂的选择性运输。

• 优势：能耗低，选择性高（锂-钠选择性比可达15.3）。

• 挑战：

• 在高盐度和复杂离子环境中，孔道易被堵塞。

• 制造过程中难以实现高密度通道分布，影响通量。

• 缺乏长期稳定性测试。

2.3 二维材料膜

• 原理：利用二维材料（如石墨烯氧化物、MXenes）的原子级层间距和表面电荷实现锂的选择性运输。

• 优势：高水渗透性（可达74 L/m²/h/bar）、高选择性（锂-钠选择性比超过20.9）。

• 挑战：

• 高盐度和多价离子可能破坏层间距，降低选择性。

• 制造过程中易引入缺陷，影响性能。

• 清洁和维护成本高。

3. 现有技术的挑战

3.1 杂质共提取

• 天然卤水中镁、钙浓度远高于锂，竞争离子（如钴、镍）可能优先与配体结合，降低锂回收率。

3.2 环境与操作风险

• 溶剂提取和离子交换技术依赖挥发性有机溶剂，可能导致空气污染和溶剂损失。

• 高盐度环境下的膜技术面临结垢和污染问题。

3.3 能源与化学品消耗

• 锂的剥离通常需要大量酸（如HCl），增加成本和环境负担。

4. 未来展望与研究需求

4.1 实验条件的现实性

• 当前研究多使用简化溶液，缺乏对真实卤水和浸出液中复杂离子环境的模拟。

4.2 性能评估指标

• 需要开发适用于高盐度、多离子环境的评估指标，超越传统的Robeson图。

4.3 经济与政策影响

• 锂提取技术的经济性受制于膜的耐久性、清洁成本以及资源价格波动。

• 政策框架需强调节水、碳中和和环境可持续性。

4.4 资源循环与共提取

• 通过共提取有价值的金属（如镁、钴、镍）提高经济可行性，符合循环经济原则。

图1. 锂资源（如盐湖、矿山尾矿、采出水和电池浸出液）由于高盐度、多离子组成、酸性条件和易污堵特性，难以实现经济化利用。新兴膜化学通过锂离子通道、锂配体复合材料及新型二维材料实现直接锂提取，但面临高盐度环境下材料降解、活性表面污堵及工业化规模化困难等挑战。电渗析和纳滤膜也可用于锂浓缩，但在高盐度环境下选择性差，并受浓差极化导致的结垢影响而性能下降。

▍总结与展望

文章强调，新兴膜技术在锂提取中具有巨大潜力，但要实现工业规模应用，仍需解决材料选择性、耐久性、经济性和环境影响等多方面挑战。未来的研究应聚焦于：

• 在真实条件下评估技术性能。

• 开发多尺度建模工具，优化材料设计与系统性能。

• 推动资源循环利用，降低生产成本，提高技术的经济韧性。

通过这些努力，锂提取技术有望成为高效、可扩展且环境可持续的解决方案，为全球清洁能源转型提供支持。

文章来源：盐湖研究

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