Huijun Xi|Zhendong Yang|Zhenghua Liu|Yang Tang|Sheng Yang|Juanjuan Liu|Mikolaj Iwan|I.A. Ibrahim|Huaqun Yin
中国四川省成都市成都大学建筑与土木工程学院城市固体废弃物能源与建筑材料转化利用技术四川省工程研究中心，邮编610106
摘要
从盐湖卤水中提取锂（Li）已成为实现清洁能源转型的关键途径，因为硬岩开采能耗高且对环境造成较大影响，而回收利用技术仍较为有限。本文综合评估了多种直接提取锂的技术，包括纳滤（NF）、溶剂萃取、基于锂铝层状双氢氧化物（Li/Al-LDHs）和锰或钛离子筛的吸附、电渗析（ED）及双极膜电渗析（BMED）以及电容去离子化（CDI）。每种技术都根据卤水的特性进行了分析，这些特性包括镁锂比（MLR）、盐度和共存离子组成。讨论重点介绍了关键技术进展，如离子液体和深共晶溶剂的应用、超薄聚酰胺（PA）分离层的发展，以及将锂插层材料引入CDI系统。其中，CDI和吸附技术目前适用于高镁含量的卤水；而溶剂萃取和电化学方法在单位锂产量的能耗和运行效率方面具有较大潜力。仍存在的挑战包括使用天然卤水的验证、提取与再生过程的整合，以及通过副产品利用实现资源循环利用。通过结合机理分析与工艺理解，本文为建立稳定且环保的锂供应链提供了研究及工业实践的框架。
引言
在《巴黎协定》和联合国可持续发展目标7与13的指导下，全球正从传统化石燃料向清洁可再生能源转型[1]。这一变革标志着向低碳未来的根本转变。在这一过程中，能量存储成为决定新能源系统成功的关键因素[2]。锂（Li），被誉为“白色石油”，具有低密度、高比容量和低电极电位，这些特性使其具有出色的能量存储性能[3]。2025年全球锂消费量约为200千吨，预计到2030年将增至471千吨，其中电池仍占总消费量的约87%[4]。然而，现有和计划中的生产能力无法完全满足需求，至少存在4%的缺口；到2040年这一缺口可能扩大到近60%，这凸显了建立灵活且可持续的锂供应系统的必要性[5,6]。历史上，锂的供应主要依赖于资源开发[7]。初期生产依赖于地理位置集中、储量有限的高品位伟晶岩，可通过成熟的采矿和转化流程快速提取锂[8]。随着这些矿床逐渐被开发，引入了城市采矿回收技术，以重新利用产品中的锂并减轻固体废弃物问题[9,10]。但这种二次回收途径在规模上受到限制，因为它依赖于：(i) 在用锂库存；(ii) 相对较长的电池使用寿命（通常为5-8年）；(iii) 地理分布不均的收集网络。虽然这种方法可以减缓初级需求的增长，但无法单独满足未来电池制造所需的大量新增锂供应[11, [12], [13]]。因此，人们开始关注盐湖卤水，因为它们含有全球已知锂资源的60%以上；与离散矿体不同，盐湖卤水可以在较大范围内进行开发[14,15]。然而，全球锂资源分布极不均匀（见图1）。南美洲少数国家以及中国和美国拥有世界上大部分的盐湖型锂资源[16,17]。这些卤水在锂浓度、主要阴离子类型、镁锂比（MLR）及伴生元素等方面存在显著差异[18,19]。一些盐湖具有高盐度、低MLR（MLR<6）和高蒸发率，适合采用能耗较低的常规太阳能蒸发池技术[20], [21], [22]]。而其他卤水锂含量较低、共存离子组成复杂（常伴随较高MLR，MLR≥6）或受气候条件限制，使得纯蒸发方法效率低下、耗水量大且占用土地多[23], [24], [25]]。这种成分多样性促使人们需要开发多种针对特定卤水化学性质的锂提取技术。迄今为止，已开发出多种从卤水中直接提取锂的方法，包括物理、化学、物理化学和生物机制，如强化蒸发/结晶、膜分离、溶剂萃取、电驱动过程、吸附及微生物辅助捕获（见图2）。这些技术在选择性、效率和适用性方面存在差异，在盐湖等脆弱生态系统中的应用时，环境影响也成为重要考量因素[26]。尽管部分技术已达到实验室可行水平，但大多数研究和现有综述仍主要关注材料选择性和理论性能，忽视了实际卤水的成分变化和操作限制。关于工艺稳健性、系统集成和环境权衡的认知仍不充分，实验室概念与可扩展的可持续实践之间存在差距[27]。本文构建了一个综合的地球化学和技术框架，评估不同提取方法在卤水组成和可持续性方面的适用性，探讨了如何通过优化工艺选择、耦合和再生来平衡效率和环境兼容性，以推动锂矿业向3.0时代迈进，并将盐湖卤水作为清洁能源材料供应链的可靠基础。盐湖卤水中锂的地球化学成因
含锂卤水形成于构造封闭的盆地中，锂通过火山、热液或沉积作用释放出来，并通过盆地规模的流体循环移动。在干旱的蒸发性水文条件下，这些锂逐渐富集（见图3）。这些因素共同决定了卤水的盐度、锂品位及伴生离子的组成，进而影响卤水的地球化学特征和后续处理方式。盐湖卤水的锂提取技术
高效利用盐湖卤水需根据其组成选择合适的提取方法，确保足够的选择性、合理的能源和水资源消耗，以及符合下游产品要求的产物。现有锂提取技术大致可分为四类[45]：(i) 通过太阳能或热能实现锂浓缩和结晶的物理过程；(ii) 通过试剂驱动反应引发沉淀或相转移的化学过程。锂提取技术的环境与经济评估
作为全球能源转型和实现碳中和目标的关键资源，锂提取需在高效回收和选择性、经济可行性和低环境影响之间取得平衡。对于盐湖卤水而言，从实验室研究到工业应用的转化需从三个维度进行系统评估：分离性能、单位产品成本和工艺相关环境影响（见表3）。盐湖卤水可持续锂提取的未来展望
作为能源转型和碳中和路径中的关键金属，锂支撑着电动汽车和固定式储能系统的快速发展。盐湖卤水蕴藏着全球大部分已探明的锂资源，且相比硬岩矿石具有更低的能源和环境成本。因此，开发高效、操作简单且环境友好的提取技术对于实现可持续的盐湖锂供应具有重要意义。结论
盐湖卤水体现了锂时代的地质复杂性和技术潜力。其构造水文特征决定了化学组成，而这种组成又决定了可行的提取路径。通过对比物理、化学、电化学和生物提取方法，本文建立了将工艺选择与资源特性和可持续性联系起来的统一框架。在现有技术中，纳滤（NF）和吸附技术表现尤为突出。Huijun Xi（HX）：研究、数据整理、初稿撰写、可视化；Zhendong Yang（ZY）：概念构思、方法论设计、监督、审稿与编辑、项目管理和资金筹集；Zhenghua Liu（ZL）：数据分析、验证、资金筹集、审稿与编辑；Yang Tang（YT）：资源获取、数据整理；Sheng Yang（SY）：数据分析；Juanjuan Liu（JL）：验证、数据整理；Mikolaj Iwan（IM）：数据整理；I.A.
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号42507195）和中国国家重点研发计划（2023YFE0114500）以及自然资源部生态地球化学重点实验室开放基金（ZSDHJJ202401）的支持。
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本文研究的财务利益或个人关系。
