主要成果
清華大学深圳（Tsinghua Shenzhen International Graduate School）のYang Su氏らによる研究チームは、低品位の塩水からリチウムを効率的に分離・抽出する新しいナノろ過膜を開発しました。この膜を用いた3段階のシミュレーションろ過プロセスにおいて、マグネシウムイオンの除去率99.53%を達成したことが報告されています。特に、水和したリチウムイオンとマグネシウムイオンのサイズが近く、分離が困難とされる「高マグネシウム濃度かつ高Mg/Li比」の条件下で、効果的な分離性能を示しました。
技術・詳細
開発された膜は、酸化グラフェンにポリ電解質を挿入して作られた正電荷を持つ二次元膜です。緩やかな熱処理を施すことで材料をその場で（in situ）架橋させ、構造を安定化させるとともに、層間のナノチャネルの幅を調整可能にしました。この電荷を帯びたチャネルがサイズ排除に基づく輸送を促進し、リチウムイオンを通過させ、マグネシウムイオンを制限する仕組みとなっています。
研究チームは、周囲の溶液中のイオンがチャネルの有効幅を制御する「対イオン制御（counter-ion controlled）」メカニズムを提唱しています。具体的には以下のプロセスが想定されています。
- 塩化物イオンが正電荷のチャネル壁に吸着することで、層間の有効スペースが狭まり、水和イオンのサイズに基づいた分離能が強化される。
- 高塩濃度下では、マグネシウムの水和圏内の塩化物イオンとチャネル壁に結合している塩化物イオンとの間で対イオン交換が発生し、マグネシウムの有効な水和サイズが減少して一部が透過する。
このメカニズムは、高濃度時にイオン除去率が緩やかに低下する現象を説明するものとして提示されています。
背景・業界の文脈
再生可能エネルギー技術の普及に伴いリチウム需要は増加していますが、低品位の塩水は世界中に広く分布しているにもかかわらず、リチウム源として十分に活用されていません。その最大の要因は、リチウムに対してマグネシウムが大量に含まれていることであり、この高いMg/Li比がリチウム回収の大きな技術的障壁となっていました。
今後の展望
本研究は、膜構造と溶液化学の両方を制御することで、ナノ閉じ込め輸送システムにおけるイオンふるい性能を調整できることを示しました。ただし、今回の結果はシミュレーションによる多段階プロセスに基づいたものであり、フルスケールの工業的抽出操作で実証されたわけではありません。また、あらゆる塩水組成における性能が確立されたわけではないため、実用化に向けては、異なる化学組成や運転条件下での評価が必要であるとしています。
元記事: https://bioengineer.org/counter-ions-enable-selective-lithium-extraction-from-low-quality-brines/
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