WR||消除 pH 影响：双基质调控吸附剂实现从浓缩海水中高效提取锂

随着全球绿色能源战略的推进，锂资源的需求逐年攀升，从液体资源（如海水、盐湖）中提取锂成为研究热点。吸附法因其简单、经济和高选择性而被广泛采用，但在实际应用中，吸附效果严重受环境pH值影响。在自然pH条件下，杂质离子的竞争吸附和吸附剂表面Zeta电位的差异显著降低了锂的提取效率。传统方法通常通过投加大量碱液来调节pH，但这不仅增加了化学品消耗成本，还对环境造成负面影响。因此，开发一种能够在自然pH条件下高效工作的吸附剂，对于实现锂资源的经济、环保开发具有重要意义。

本文针对现有锂离子筛吸附剂受pH限制的问题，提出了一种“双基质调控”策略，制备了新型吸附剂（Z/C-HMO）。该吸附剂的设计集成了两项关键改性：一是利用两性季铵碱基团修饰载体基质，通过酸碱中和作用消除杂质离子的竞争吸附；二是对吸附基质表面进行羧基化修饰，赋予其负电荷以减小表面Zeta电位差异，从而消除静电势垒。实验结果显示，Z/C-HMO在自然条件下表现出卓越的性能，其饱和吸附容量达 28mg g-1，锂镁分离系数（选择性）高达24.23，分别是未改性HMO的6.3倍和7.8倍，且达到了HMO在理想碱性条件下的水平。此外，该吸附剂极大降低了碱耗（仅为传统方法的0.6%），并在真实盐湖卤水和浓缩海水中均展现出优异的提锂效果及良好的循环稳定性。这项工作通过优化吸附微环境，成功消除了pH的负面影响，为从低品位液体资源中高效提取锂提供了一种新颖且实用的解决方案 。

相关研究以“Eliminating the effect of pH: Dual-matrix modulation adsorbent enables efficient lithium extraction from concentrated seawater”为题发表在国际知名期刊《Water Research》上。（中科院一区TOP，JCR一区，IF=12.4）

图1. 双基质调控吸附剂的作用示意图：(a) 吸附过程中 pH 对环境因素和吸附剂因素的影响；(b) Z/C-HMO 消除 pH 对吸附效果影响的作用方案 。

图2. 基质调控吸附剂的表征：(a) 基质调控吸附剂的制备过程；(b) 基质调控吸附剂的 SEM（扫描电子显微镜）图像；(c) 羧基化 HMO（锰系吸附剂）的 SEM 图像；(d) 羧基化 HMO 的 TEM（透射电子显微镜）和 EDS（能量色散X射线光谱）图像；(e) 不同基质调控吸附剂的 FTIR（傅里叶变换红外光谱）图谱；(f) C-HMO 的碳 XPS（X射线光电子能谱）精细图谱；(g) 不同基质调控吸附剂的 XRD（X射线衍射）图谱 。

图3. 吸附剂优选：(a) 不同基质羧基化修饰吸附剂的表面 Zeta 电位；(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) 不同修饰比例的基质调控吸附剂的 XRD 图谱。

图4. 基质调控吸附剂的吸附效果及机理：(a) 不同基质调控吸附剂的吸附容量；(b) 自然条件下 Z/C-HMO 与自然及碱性条件下 HMO 的吸附等温线对比；(c) 不同文献中吸附剂在自然条件下饱和吸附容量的比较；(d) 中性条件下 Z/C-HMO 与中性及碱性条件下 HMO 的吸附选择性，内图显示自然条件下 Z/C-HMO 与自然及碱性条件下 HMO 的镁锂分离系数；(e) 自然条件下 Z/C-HMO 与自然及碱性条件下 HMO 的吸附动力学；(f) 不同镁锂质量比溶液中 Z/C-HMO 碱耗比例与传统方法的比较。

图5. 双基质调控吸附剂的机理分析：(a) Z/C-HMO 吸附过程中实际溶液 pH 值与理论计算溶液 pH 值的变化；(b) 羧基化修饰前后吸附剂在自然及碱性条件下的吸附容量；(c) Z/C-HMO 对锂离子扩散的影响；(d) 羧基化修饰增强吸附剂吸附选择性的机理图。

图6. 基质调控吸附剂实际应用的有效性：(a) Z/C-HMO 在自然 pH 条件下的吸附容量；(b) Z/C-HMO 和 HMO 的重复使用性能及锰溶损率；(c) 重复使用前后吸附剂 FTIR 图谱的对比分析；(d) Z/C-HMO 和 HMO 在盐城浓缩海水中的吸附效果。

pH是一个关键的环境因素，对离子筛吸附剂的吸附效能有深远影响。消除pH影响将有助于锂离子筛吸附在实际液态锂资源提取中的高效利用。本研究设计并测试了Z/C-HMO在天然和真实溶液中的吸附效能。研究表明，离子筛吸附剂在自然条件下通过双基质调制表现出与碱性条件下相同的吸附效果。此外，该吸附剂在自然条件下的饱和吸附能力和选择性显著高于锰基吸附剂在相同条件下的水平。此外，该吸附剂在真实溶液中进行了测试，发现其在近中性区间以及盐碱湖和浓缩海水中仍保持吸附效果。双基质调制主要通过消除竞争性吸附和表面ζ电位差异，增强吸附剂在自然条件下的吸附效能，从而为受pH显著影响的吸附剂提供了一种新颖方法，以实现增强吸附效果。

DOI:10.1016/j.watres.2024.122571

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