锂，被誉为是“推进世界前进的金属”，在科学和工业进程中发挥着越来越重要的作用，广泛应用于锂离子电池、 存储设备、合金技术、玻璃陶瓷和能源化工等领域。世界上几乎60%的锂资源都存在盐湖卤水中，因此盐湖被认为是锂的主要来源，废弃锂离子电池则被认为是锂的次要来源。然而，从盐湖卤水或废弃锂离子电池浸出液中有效分离锂仍然是一个巨大的挑战。盐湖卤水中，Mg2+与Li+物化性质相近，且镁锂比通常较高（从35：1到1837：1），这使得从盐湖中分离提取锂非常困难；此外，从废弃锂离子电池浸出液中回收锂的方法通常是溶剂萃取或沉淀法，会导致锂的严重损耗。目前锂资源提取技术耗时耗力、成本高且效率低，因此迫切需要开发出更合适的提取锂的方法来解决当前提取、回收锂工艺的局限性。

新型石墨烯膜，将高效利用盐湖卤水资源

近日，兰州大学稀有同位素前沿科学中心陈熙萌、李湛团队在《纳米快报》上发表题为“涡流剪切力场制备具有牛顿环结构的超平氧化石墨烯膜用于离子筛分”的成果。

研究团队通过研究氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中的结构组成的动态变化过程，发展出一种超级简单的涡旋力场拉伸堆积成膜策略，制备出高选择性、低能耗的超平层间结构的涡旋氧化石墨烯膜，实现了实验室阶段盐湖中锂、钾、镁等离子的选择性高效分离。

盐湖中的“钾、锂、镁”战略地位重大

我国是盐湖资源大国，盐湖中蕴含着大量当今技术领域所需的关键元素，主要以“钾、锂、镁”等为代表，被视为与稀土具有同等战略地位的重要资源。传统的膜分离技术很难用于盐湖卤水中碱土金属离子的选择性分离，因此有必要发展一类更为简单、高效、经济环保的膜分离技术，促进我国盐湖卤水资源高质化利用。

中国盐湖提锂技术概况

盐湖卤水中主要含有Li+、Na+、K+、Ca2+、Mg2+等阳离子和SO42-、Cl-、CO32-等阴离子，按化学成分盐湖卤水分为碳酸盐型、硫酸盐型和氯化物型。盐湖提锂工艺和成本主要由盐湖类型控制，卤水中Mg2+、B3+等伴生离子通常会给Li+分离带来麻烦。

目前，世界上已经被工业化开发的盐湖大多数都是低镁锂比盐湖（镁锂比低于8），如智利Atacama湖、美国银峰（Silver Peak，USA）等。由于中国盐湖大多数是属于高镁锂比型盐湖，其开发难度大，镁锂如何高效分离一直以来都是盐湖提锂过程中最为重要的问题，这也是中国电池级的锂产品长期依赖进口的主要原因之一。

中国盐湖卤水提锂技术起步不晚，但是真正取得提锂技术突破，使盐湖提锂产业走向成熟是近10年的事。中国多所科研院校和盐湖企业等经过共同努力，在盐湖卤水提锂技术上取得多项成果，探索出多条成功的卤水提锂产业化工艺技术。

目前，盐湖卤水提锂方法主要有沉淀法、萃取法、煅烧法、吸附法、纳滤法、电渗析法和太阳池法等，针对锂原料特点，在上述提锂方法的基础上，开发了一些新型的复合提锂法，如科研院所与企业共同提出的吸附+膜、纳滤膜反渗透+MVR蒸发浓缩沉锂法、多组分协同溶剂萃取-水反萃清洁提锂法、离子精馏等技术。

突破传统的膜分离技术，更简单、高效、经济环保

涡旋结构在宇宙中非常常见，但其背后各种神奇的性质与结构仍不被人们所理解，其中最为神奇的是涡旋力场对其周围物质结构与运动规律的影响。研究人员通过简单的机械搅拌的方式，对氧化石墨烯溶液施加涡流力场，制备出层间结构可调的超平涡旋氧化石墨烯膜，并使用该膜实现了盐湖卤水中单价离子与二价镁离子的高选择性筛分。

膜分离是高效无相变、绿色无污染的新型分离技术，但传统的膜分离技术很难用于盐湖卤水中碱土金属离子的选择性分离，因此有必要发展一类更为简单、高效、经济环保的膜分离技术，促进我国盐湖卤水资源高质化利用。

氧化石墨烯膜因其优异的物理和化学特性在分离分析领域具有重要的应用潜力。然而，氧化石墨烯表面存在大量含氧基团，在堆叠成膜的过程中产生大量褶皱。这些褶皱会干扰氧化石墨膜层间狭缝中的离子传质过程，从而降低其渗透性和选择性。因此，亟须解决二维膜选择性和渗透性之间的权衡问题，实现离子的高效快速分离。

研究人员通过简单的机械搅拌的方式，对氧化石墨烯溶液施加涡流力场，制备出层间结构可调的超平涡旋氧化石墨烯膜，并使用该膜实现了盐湖卤水中单价离子与二价镁离子的高选择性筛分。

研究发现，氧化石墨烯纳米片在涡旋剪切力场中，其边缘位置受到不同大小和方向剪切力的拉扯，该作用不但消除了石墨烯表面存在的大量褶皱，且促使表面褶皱间脂基的水解，变成羧基和羟基，进而大幅提高石墨烯表面的含氧量。拉平的氧化石墨烯片在涡旋力场的作用下，形成一种具有彩色牛顿干涉环的超平氧化石墨烯膜。经过大量实验验证，机械搅拌转速增大，涡流剪切力作用增强，增加了含氧基团的数量，同时涡旋氧化石墨烯膜的平整度大幅增加，层间距逐渐减小，层间结构的稳定性显著提高，水通过超平整层间通道的阻力大幅降低，有效水通量增加约三倍。

在真实盐湖水的离子分离中，该膜对Li+/Mg2+、Na+/Mg2+和K+/Mg2+表现出优异的碱金属与碱土金属离子筛分效果，具有高度的工业应用前景。

该研究为层间结构可控的二维膜的设计与构筑提供了新策略，为解决氧化石墨烯膜在水中易膨胀问题提供了新思路，并为盐湖卤水中战略元素的分离提取研究提供了新方向。

石墨烯薄膜实现高效净化水

石墨烯薄膜除了可以提取盐湖卤水资源外，在水的净化方面也有很大的作用。

在2019年，中美两国科研人员曾在美国《科学》杂志上发表论文，介绍了用石墨烯等材料开发出的一种超薄、高强度薄膜，它可高效分离水中的盐离子和有机污染物，有望用于水净化、化工原料分离纯化等领域。

据介绍，像石墨烯这样只有一层原子厚的二维材料，是构建超薄纳滤膜的理想材料，但单独的石墨烯薄膜会受破裂等问题影响，因此相关研究中一直存在如何实现优异机械强度和大面积无裂缝制备的难题。

中国武汉大学袁荃团队和美国加利福尼亚大学洛杉矶分校段镶锋团队合作，将具有优异机械性能和多孔结构的碳纳米管薄膜作为石墨烯薄膜的机械支撑层，从而将石墨烯薄膜分割成多个微区域，形成类似于建筑“水立方”表面、树叶或昆虫翅膀的结构。

论文通讯作者袁荃对新华社记者说，当石墨烯薄膜内部存在缺陷、裂缝或者石墨烯薄膜受到外部破坏时，碳纳米管网络结构可以阻碍缺陷延伸和扩大，将缺陷局限在一个小范围内。

研究显示，这种被称为“石墨烯纳米筛/碳纳米管复合薄膜”的材料，孔径尺寸约0.6纳米，大于水分子的尺寸（约0.3纳米），但小于一些金属盐离子的尺寸（水合钠离子尺寸约0.7纳米），因此可将水分子和盐离子有效分离，对钠、钾和镁等金属盐离子的截留率可达85%以上，对水溶液中的有机污染物分子截留率高达99%。

这种薄膜的渗透率高，1平方厘米薄膜在一定压力下每分钟可产出1毫升纯净水，是一些传统类似薄膜的10倍到100倍。它的机械性能也很好，在弯曲形变下仍可保持结构完整性、水渗透率等特点。

论文第一作者、武汉大学研究人员杨雁冰说，该研究克服了二维材料在分离领域实际应用的局限性，开启了一扇通往高效选择性分离的大门。

文章来源： 科技日报， BRTV创新北京 ，六工石墨，中国粉体网，ChinesePhysicsL的个人博客