编者按：让AI取了几个题目，感觉都不合适：膜法炼金锂，聚脲膜中藏；滤出旧电池，锂资源新光芒；锂回收新策略，PU膜稳如磐石。。。还是用个中规中矩的题目吧：）
新能源行业的快速发展显著增加了对锂资源的需求和回收退役锂电池的迫切性，绿色高效的纳滤（NF）膜分离技术可助力锂资源的可持续利用。然而，传统聚酰胺NF膜在酸碱条件下容易发生结构水解导致分离性能下降。聚脲（PU）作为一种化学稳定的聚合物，在特种分离膜制备中受到广泛关注。常采用聚乙烯亚胺（PEI）作为水相单体以制备PU膜，然而较多的反应位点会引起剧烈的界面反应，导致制备的PU膜具有不均匀的分离层结构（低通量）和较差的制备批次重复性，进一步限制了其在新能源领域的应用。
针对上述背景，中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室/生物药制备与递送重点实验室生物分离膜工程团队提出了一种“分区调控界面聚合”策略，分别调控主体溶液和相界面处的单体扩散行为。通过反应抑制剂Cu2+与PEI可逆螯合，限制PEI在主体溶液中的扩散速率，并降低界面反应强度；同时，表面活性剂十二烷基硫酸钠（SDS）促进大分子单体PEI在相界面处的均匀扩散，增强相界面稳定性（图1b）。界面聚合（IP）自抑制的协同增强和界面均匀性的提高，促进更薄、更均匀的PU分离层的形成。此外，这种简单有序的IP工艺显著提高了高反应性、大分子单体的膜制备批次稳定性，增强了PU膜在锂资源回收中的适用性。
图1 （a）PU膜的制备工艺示意图；（b）分区调控界面聚合机理图
分子模拟和游离相界面实验的结果可以证实：“分区调控界面聚合”策略精确调节单体在主体溶液及相界面的分布和扩散行为，能够有效提高NFPEI-SDS-Cu2+膜的分离选择性，制备的NF10k PEI-SDS-Cu2+水通量达2.1 L m-2 h-1bar-1，MgCl2截留率为94.7%。此外，该策略对高反应性和超支化单体表现出更强的钝化效应，不同批次制备的NFPEI-SDS-Cu2+膜分离性能误差限显著减小（图2a），膜分离性能的离散系数显著下降（图2b），表明该策略能够有效提高大分子单体制备的膜批次稳定性。
图2 不同分子量PEI制备的（a）膜分离性能，（b）不同批次制备的膜分离性能的离散系数
图3 NF750k PEI-SDS-Cu2+膜（a）在酸中的稳定性，（b）在碱中的稳定性，（c）在酸碱中的选择性，（d）在退役锂电池回收中的应用示意图
如图3所示，得益于均匀的分离层和稳定的化学结构，复合膜在酸碱条件下表现出稳定的分离选择性，验证了该膜在退役锂电池回收再利用中的应用可行性。
本文为高性能耐酸碱PU膜的制备提供了一种新策略，并拓宽了PU膜在新能源领域的应用。本研究得到国家自然科学基金会（22278406）的资金支持。相关研究成果以《High-performance polyurea nanofiltration membrane for waste lithium-ion batteries recycling: Leveraging synergistic control of bulk and interfacial monomer diffusion》发表在Journal of Membrane Science（https://doi.org/10.1016/j.memsci.2024.123405），并申请中国专利《202410518478.7》，点击文末阅读原文可直达）。
第一作者：肖诗雨 直博生
中国科学院过程工程研究所生化工程国家重点实验室在读博士生。本科毕业于天津科技大学食品科学与工程学院。主要研究方向为高通量耐碱纳滤膜制备及其微结构调控。
