重磅，盐水提取锂！南京大学朱嘉团队，今日Science！

Spring 微算云平台 2024年09月27日 08:04 广东

锂矿开采是能源密集型的，而且环境成本高昂。这是因为锂离子通常作为次要组分存在于盐水中，与难以分离的理化相似阳离子混合。受大自然在蒸腾作用中选择性提取物种的能力的启发，南京大学朱嘉教授和美国加州大学伯克利分校米宝霞教授等人报道了一种太阳能蒸腾动力锂提取和储存（STLES）装置，该装置可以利用自然阳光从盐水中提取和储存锂。具体来说，该设备使用分层结构的太阳能蒸腾蒸发器来产生压力梯度，从而允许通过膜从盐水中提取锂并将其储存在血管储存层中。长期实验、各种膜测试和不同尺寸的评估证明了 STLES 的稳定性、兼容性和可扩展性。这种太阳能采矿技术为可持续开采关键资源提供了另一种发展途径。

相关文章以“Solar transpiration-powered lithium extraction and storage”为题发表在Science上。

       随着可再生能源技术对锂的需求不断增加，锂提取必须对环境和社会负责，以确保可持续的未来。目前，锂主要通过热化学途径来自硬岩矿石或通过蒸发过程来自盐水。蒸发法用于87%的锂矿开采设施，动力学有限，用水量大，仅适用于高品位盐水。从各种盐水中提取锂的

可持续技术对于确保清洁可靠的锂供应至关重要。在自然界中，许多生命系统已经进化到可以有效地提取特定物种。特别是，盐生植物（在盐碱习性中茁壮成长的植物）已经发展出一种提取-储存-释放（ESR）机制，可以从高盐度土壤或水中吸收养分而不会受到伤害，它们像其他植物一样利用蒸腾作用来提取营养物质，但它们也有专门的器官来储存和排出体内多余的盐分，这种额外的盐储存和释放机制对于盐生植物在盐水中的生存至关重要，没有盐生植物，它们会因干旱而死亡。

       受到启发，本文开发了一种太阳能蒸腾驱动的锂提取和储存（STLES）设备，旨在实现更环保的锂矿开采。其结构和工作原理如图1所示。本文的策略捕捉了盐生植物中ESR机制的主要属性，并涉及三个主要步骤：（i）太阳蒸腾在蒸发器内产生高毛细管压力;（ii）这种蒸腾压力传递到膜，导致锂从盐水流入锂储存层;（iii）水循环将提取的锂输送到储层并再生装置。

为了实现高效和稳定的太阳能蒸腾动力锂提取，必须满足一套严格的要求。首先，蒸发器内通过毛细管作用被动产生的蒸腾压力必须超过纳滤的工作压力。其次，蒸发器必须产生较高的蒸腾通量，以实现高锂的生产率。理论分析表明，蒸腾通量主要受蒸发器温度控制。随着温度从300k增加到350 K，通量增加了30倍。在这方面，界面太阳能驱动蒸发器是理想的，因为它可以利用太阳能加速蒸腾，具有高太阳能热转换效率（>90%）。最后，锂存储层必须能够抵抗空化和盐沉积，才能稳定地提取锂。为了防止气泡引起的空化，需要小于气泡核临界尺寸的通道，并且需要高孔隙率来容纳提取的盐。作者开发了一种被动浮动STLES（图1A)，由铝基膜作为高压、高通量太阳能蒸发器（图1C），STLES可以利用自然阳光从盐水中提取和储存锂，不需要额外的能量输入。

图1：STLES的概念和设计。

图2：太阳能蒸发器及锂存储层的设计与表征。

图3：器件制造和锂提取性能。

图4：STLES的兼容性和可伸缩性。

       这项工作报道了STLES装置的设计和演示，利用自然阳光在环境条件下从盐水中提取锂，并产生几乎为零的温室气体。与当前和新兴的锂提取方法相比，STLES 具有多项优势。首先，一旦安装，它的被动方式允许实现成本、能源和碳效率低的锂矿开采。其次，它可以与现有的蒸发池无缝集成，87%的锂矿开采设施都使用蒸发池，从而降低安装成本。第三，它可以漂浮在盐水上。最后，预计在STLES中使用高蒸腾压力蒸发器将有助于处理渗透压高达400 bar的高盐水，比当前膜过滤系统的压力极限高五倍。

Yan Song†, Shiqi Fang†, Ning Xu, Monong Wang, Shuying Chen, Jun Chen, Baoxia Mi*, Jia Zhu*, Solar transpiration-powered lithium extraction and storage, Science,https://www.science.org/doi/10.1126/science.adm7034