全氟和多氟烷基物质（PFAS）是一类难以降解、具有生物累积性和毒性的持久性有机污染物。尽管大量研究致力于PFAS的降解，但其作为氟资源的再利用潜力长期被忽视。论文开发了一种电热氟化（ETF）方法，利用颗粒活性炭（GAC）吸附的废弃水成膜泡沫（AFFF）作为氟化剂，对卤水盐进行选择性氟化。该过程中，GAC和PFAS转化为石墨烯，氟原子则被有效矿化为金属氟化物，随后通过水洗和闪速蒸馏，锂以氟化锂形式从卤水中的其他碱金属和碱土金属离子（Na⁺、Mg²⁺、K⁺、Ca²⁺）中分离出来，实现约99%的锂纯度和约82%的回收率。回收的氟化锂可作为电解液添加剂，稳定电解液并提升锂离子电池性能。与传统工业提锂方法相比，该工艺大幅降低了温室气体排放和成本，展示了利用污染物管理实现可持续锂供应的潜力，有望拓展至其他金属提取工艺。相关工作以Waste per- and polyfluoroalkyl substance-assisted flash fluorination for lithium recovery from brine为题发表在Nature Water期刊。
本文从废弃PFAS资源化利用与可持续提锂的需求出发，设计了电热氟化（ETF）工艺，利用GAC吸附的AFFF作为氟化剂处理卤水盐（图1）。经NH₄F溶液水洗可有效分离LiF与NaCl/KCl，将锂产率从66%提升至86%（图2）；通过闪速蒸馏实现LiF与MgF2的高效分离，锂纯度达99%、产率达90%（图3）。使用浓缩卤水盐（锂含量11 wt%）作为原料时，最终获得的LiF纯度为99%，产率为82%，XRD和SEM表征显示其为高结晶度的立方晶型结构（图4）。将回收的LiF以0.2 M浓度添加至电解液中，Li||Li对称电池的过电位降低至约60 mV；NMC532半电池在0.2 C倍率下循环300次后，容量保持率为127 mAh g⁻¹（图5）。该工艺累积能耗为460 MJ kg⁻¹ Li，全球变暖潜势为37 kg CO₂当量 kg⁻¹ Li，运营成本仅3.50 USD kg⁻¹ Li，利润达582 USD kg⁻¹Li（图6）。综上，该策略实现了PFAS污染物的高效矿化与锂资源的选择性回收的协同。
图1. PFAS辅助的电热氟化法用于盐湖卤水中的锂回收。(a)不同温度下各金属氯化物与C₂F₆反应转化为相应金属氟化物的吉布斯自由能变化（ΔG），水平虚线表示ΔG = 0 kJ mol⁻¹。(b)从卤水中回收锂的流程。整个过程包括三个步骤：氟化、水洗和蒸馏。氟化过程中，Li+、Mg²⁺和Ca²⁺被氟化，而Na⁺和K⁺保持为氯化物形态。F-卤水盐指氟化后的卤水盐，由LiF、MgF2、CaF2、NaCl和KCl组成。水洗后收集不溶性氟化物，通过电蒸馏分离得到目标产物LiF。Gr表示石墨烯。(c)电热氟化（ETF）前（上）和过程中（下）的样品照片。两侧的双O型圈用于避免氟碳气体排放并促进PFAS矿化。缠绕在石英管外部的弹簧用于增强管式反应器的机械完整性。(d)红外测温仪记录的实时温度曲线，检测范围为200~1500℃。(e)电加热峰值温度与输入电压的关系。(f)氟化产物中总氟（黑线）、矿化氟离子（红线）和有机氟（蓝线）的相对含量随输入电压的变化。将氟含量归一化为混合前驱体中的初始总氟含量。总氟含量采用CIC测试，氟离子含量采用IC测试。(g)输入电压为100 V时，氟化后AFFF中各类PFAS的去除效率。(h)输入电压为100 V时，有无卤水盐存在下挥发性有机氟化物（VOF）生成量的相对值。卤水提供了> 99.9 %的氟矿化度。e，f和g中的误差条是三个平行实验（n=3）的标准偏差（SD）。数据以平均值±SD表示。
图2.水洗法用于Li/Na二元盐中锂与NaCl的分离。(a) 25℃下各盐组分在含氟卤水盐中的水溶性。(b) Na/Li摩尔比为20的NaCl/LiCl氟化产物的XRD图谱。粉末衍射文件：LiF，01-088-2298；NaCl，00-005-0628；石墨烯（记为Gr），00-056-0159。(c)在Na/Li摩尔比为20的条件下，不同洗涤剂下Li的纯度和产率。(d)不同洗涤剂条件下锂产率与原料Na/Li摩尔比的关系。c和d中的误差条是三个平行实验的标准差（SD）（n=3）。数据以平均值±SD表示。
图3.闪速蒸馏法分离Li/Mg二元盐中MgF2中的锂。(a)不同金属氟化物的蒸气压-温度关系曲线。水平虚线表示大气压（约10⁵ Pa）。(b) Mg/Li摩尔比为2的MgCl2/LiCl氟化产物的XRD图谱。粉末衍射标准卡片：LiF，01-088-2298；MgF2，01-072-2231；石墨烯（记为Gr），00-056-0159。arb. units，任意单位。(c)不同输入电流设置下的蒸馏温度。三条水平虚线自下而上分别表示LiF、MgF2和CaF2的沸点（b.p.）。蓝色区域表示LiF蒸馏的适宜温度区间。(d)不同输入电流设置下的锂纯度和产率。插图为所得LiF的照片。通过读取弧焊机屏幕上显示的设定值来确定电流输入设定值。(e)输入电流设置为20、持续10秒条件下，前驱体、氟化产物、蒸馏后残留物和挥发物中的元素含量百分比。(f)不同Mg/Li摩尔比下的锂纯度和产率。c、d、f中的误差条为三个平行实验的标准差（SD）（n=3）。数据以平均值±SD表示。
图4.从卤水盐中回收锂。(a)氟化卤水盐产物的XRD图谱。粉末衍射标准卡片：LiF，01-088-2298；NaCl，00-005-0628；MgF2，01-072-2231；KCl，00-001-0786；CaF2，01-086-2987；石墨烯（记为Gr），00-056-0159。arb. units，任意单位。(b)卤水盐、氟化卤水盐、溶解后上清液与沉淀物、蒸馏后残留物与挥发物的元素含量百分比。(c)浓缩卤水盐（C-卤水盐）、氟化C-卤水盐、溶解后上清液与沉淀物、蒸馏后残留物与挥发物的元素含量百分比。(d)不同浓缩因子下的锂的纯度和产率。浓缩因子（cf）由卤水盐与水的质量比计算得出，cf=0表示未经水浓缩的原始卤水盐。(e)使用不同氟化剂时锂的回收纯度和产率的比较。(f)回收LiF的XPS全谱图。(g)回收LiF的XRD图谱。粉末衍射标准卡片：LiF，01-088-2298。(h)回收的立方结构LiF颗粒的SEM照片。(i)经逆傅里叶变换（IFFT）处理后的回收LiF的高分辨率TEM图像。d和e中的误差条是三个实验的标准差（SD）（n=3）。数据以平均值±SD表示。
图5. LiF在锂离子电池电解液中的应用。(a)在手套箱（氧含量0.5 ppm）中室温储存1个月后，添加不同量LiF的电解液照片。(b)不同电解液的¹⁹F NMR谱图。(c)使用含0.2 M LiF（红线）和不含LiF（蓝线）电解液的Li || Li对称电池在1 mA cm⁻²循环倍率下的电压-时间曲线。(d)使用含LiF（红线）和不含LiF（蓝线）电解液的NMC532半电池在0.2 C下的循环稳定性。每个半电池在0.2 C循环之前，分别在0.05 C和0.1 C下各循环5次。(e) NMC532半电池在含LiF（红线）和不含LiF（蓝线）的电解液中的Nyquist图。(f)使用含LiF（红线）和不含LiF（蓝线）电解液的NMC532半电池中Li⁺扩散系数的比较。(g)使用含LiF（红线）与不含LiF（蓝线）电解液的NMC532半电池的Li⁺扩散系数（通过GITT测得）。
图6.从卤水中回收1 kg Li的LCA和TEA。(a)累积能源需求（CED）分布。(b)全球变暖潜势（GWP，以CO₂当量计）分布。(c)水资源消耗（WRD）分布。(d)利润比较。(e)不同锂回收方法的综合比较。图中数据来自10⁴次迭代。锂回收质量仅计锂元素质量，不包含抗衡离子质量。
小结：综上所述，利用碳吸附的废弃PFAS作为氟化剂从卤水中可持续回收锂，为将有毒的PFAS矿化为无毒的金属氟化物提供了可行的解决方案，采用电热氟化（ETF）工艺，利用GAC吸附的废弃AFFF作为氟化剂处理卤水盐。在100 V输入电压下，AFFF中各类PFAS的去除效率>99.9%，总氟矿化率达91%。经水洗和闪速蒸馏后，从浓缩卤水盐中回收LiF产品的纯度达99%，产率达82%。生命周期评估与技术经济分析证实，该工艺相比传统方法在能耗、温室气体排放、水资源消耗和成本上均降低70%以上，利润提升近5倍。这种氟化策略突出了将污染治理与资源回收相结合的潜力，为其他关键金属的冶金和回收提供了一条有前途的途径，并推进了循环经济的愿景。
论文信息：CHENG Y, LATHEM A E, SCOTLAND P, et al. Waste per- and polyfluoroalkyl substance-assisted flash fluorination for lithium recovery from brine [J]. Nature Water, 2026, 4(3): 369-80.
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