《Nature Water》一种新的锂提取技术：用纤维绳从盐水中分离锂

研究背景和动机

锂是一种重要的战略性矿物，对于推动电动汽车和储能系统的发展至关重要。然而，目前的锂开采和生产方式存在许多问题，如高能耗、高化学品消耗、低资源利用率、高环境影响等。因此，寻找新的、高效的、环保的锂提取技术，是解决全球能源转型和减排挑战的迫切需求。目前，世界上大部分的锂都来自于盐湖和陆地卤水，这些资源主要分布在拉丁美洲、澳大利亚和中国等少数国家。传统的卤水提取法涉及将富含锂的卤水抽到地表，形成一系列巨大的蒸发池。通过加热，水蒸发，留下高浓度的锂和其他金属，如镁。这个过程可能需要几个月甚至几年。这种操作只有在少数几个地方具有商业价值，在那里初始锂浓度越高，可用土地越充足，并且气候越干燥以最大化蒸发。然而，随着电池需求的快速增长，这些传统的锂源已经难以满足市场需求。因此，开发新的锂源，如低浓度的油气井卤水和海水，具有重要的战略意义。这些新的锂源虽然含量低，但是储量巨大，分布广泛，可以极大地扩大锂的可获取性和降低地缘风险。例如，海洋中含有约2300亿吨的锂，是陆地上锂储量的5000倍 。

然而，从低浓度的卤水或海水中提取锂也面临着巨大的技术挑战。目前已有一些新型的提取技术被提出或开发，如电渗析、离子交换、纳滤、反渗透等 。这些技术虽然可以有效地分离和富集锂离子，但是也存在一些缺点，如高能耗、高成本、易堵塞、易污染等 。因此，研究人员急需寻找一种新的、简单的、低成本的、高效率的、环保的锂提取技术，可以从各种类型和浓度的卤水或海水中快速地浓缩、分离和收集锂。

方法和结果

现在，普林斯顿大学的研究团队开发了一种新的提取技术，可以大幅减少生产锂所需的土地和时间。研究人员说，他们的系统可以提高现有锂设施的生产效率，并开发出目前被认为太小或太稀释而不值得利用的新的锂源。

这项技术的核心，是一种由多孔纤维扭成绳状的新型材料，该材料具有亲水的内核和疏水的表面。当两端浸入含盐水溶液时，水会通过毛细作用（树木从根到叶子吸收水分的过程）沿着绳子向上运动。水从每根绳子的表面快速蒸发，留下盐离子，如钠和锂。随着水分不断蒸发，盐分变得越来越浓，最终在绳子上形成氯化钠和氯化锂晶体，便于收集。除了浓缩盐分外，这种技术还能够利用它们不同的溶解度，在绳子上将锂和钠离子分离。溶解度低的钠在绳子的下部结晶，而溶解度高的锂盐在绳子的上部结晶。这种自然分离使得研究团队能够单独收集锂和钠，这通常需要使用额外的化学物质才能做到。

研究人员对这种技术进行了详细的实验和理论分析，揭示了其工作原理和优势。他们发现，这种技术具有以下特点：

高效率：该技术可以实现高达9.8 kg m−2 h−1的蒸发速率，是传统蒸发池的20倍以上。同时，该技术可以将锂浓度提高数个数量级，从0.2 ppm到10%以上。

低成本：该技术使用的材料是天然纤维素，成本低廉，易于制备。该技术不需要添加额外的化学物质，也不需要电力或其他能源输入。

简单操作：该技术操作简单，只需将绳子浸入卤水或海水中，就可以自动进行蒸发和结晶过程。该技术也易于扩展，可以通过增加绳子的数量和长度来提高产量。

环保友好：该技术节省了大量的水资源，比传统的蒸发方法更环保。该技术也没有产生有害的废液或废渣。

研究意义和展望

这项研究为从卤水或海水中提取锂提供了一种新颖的方法，具有重要的科学价值和应用前景。该方法可以提高现有锂设施的生产效率，并开发出目前被认为太小或太稀释而不值得利用的新的锂源。该方法也可以帮助满足日益增长的锂需求，支持电动汽车和储能系统的发展，促进清洁能源转型。

“我们的目标是利用蒸发和毛细作用的基本过程来浓缩、分离和收集锂，”普林斯顿大学土木与环境工程系教授兼能源与环境安德林格中心主任任智勇（Z. Jason Ren）说。他是这个研究团队的负责人。“我们不需要添加额外的化学物质，这是许多其他提取技术所必需的，而且这个过程节省了大量的水，比传统的蒸发方法更环保。”任智勇补充说，锂供应有限是实现低碳社会转型的一个障碍。“我们的方法便宜、易于操作、耗能很低。它是解决关键能源挑战的一种环保解决方案。”

传统的卤水提取法涉及将富含锂的卤水抽到地表，形成一系列巨大的蒸发池。通过加热，水蒸发，留下高浓度的锂和其他金属，如镁。这个过程可能需要几个月甚至几年。这种操作只有在少数几个地方具有商业价值，在那里初始锂浓度足够高，可用土地充足，并且气候干燥以最大化蒸发。例如，在美国只有一个活跃的基于卤水的锂提取操作，位于内华达州，占地超过7平方英里。绳子技术则更紧凑，可以更快地开始生产锂。虽然研究人员提醒说，将他们的技术从实验室扩展到工业规模还需要额外的工作，但他们估计，它可以将当前操作所需的土地减少90%以上，并将蒸发过程加速20倍以上，与传统的蒸发池相比，可能在不到一个月的时间内就能得到初步的锂收获。

紧凑、低成本、快速的操作可以扩大锂的获取范围，包括目前被认为太小或太稀释而无法提取锂的新来源，例如废弃的油气井和地热卤水。研究人员说，加速的蒸发速率还可以使得在更潮湿的气候下运行成为可能。他们甚至正在研究是否可以用这种技术从海水中提取锂。

“我们的过程就像是在一根绳子上放一个蒸发池，让我们能够以显著减少的空间占用和更精确的过程控制来获取锂收获，”研究论文的合著者、前安德林格中心杰出博士后郑孙祥（Sunxiang (Sean) Zheng）说。“如果扩大规模，我们可能会开辟出利用环保方式提取锂的新领域。”

由于生产绳子的材料便宜，而且技术不需要化学处理才能运行，研究人员说，在进行一些额外的改进后，他们的方法将是广泛采用的强有力候选者。在论文中，研究人员展示了他们的方法潜在的可扩展性，通过构建一个由100根提取锂的绳子组成的阵列。

任智勇的团队已经在开发第二代技术，将使得效率更高、吞吐量更大、对结晶过程有更多控制。他感谢普林斯顿催化剂计划提供了关键的初始支持，使得创新研究合作成为可能。此外，他的团队最近获得了NSF创新伙伴奖和普林斯顿知识产权（IP）加速基金奖，以支持研发过程，包括修改方法以提取除锂以外的其他关键矿物。郑孙祥正在领导一个初创公司PureLi Inc. 的启动过程，开始精炼技术并最终将其带入更广阔的市场。郑孙祥被选为普林斯顿大学首届START创业者计划中的四名研究者之一，这是一个学术奖学金和创业加速器项目，旨在促进包容性创业。

“作为一名研究者，你亲身知道许多新技术太贵或难以扩展。”郑孙祥说。“但是我们对这个技术非常兴奋，并且随着效率的进一步提高，我们认为它有着令人难以置信的潜力，可以对世界产生真正的影响。”

来源：盐湖研究