Sci. Adv.||界面太陽能蒸發(fā)轉(zhuǎn)化鹵水礦物回收

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研究背景

界面太陽能蒸發(fā)(ISE)主要用于海水淡化，為鹵水開采提供了一條潛在的途徑。這一前景審查初步評(píng)估了在礦物需求上升的背景下，獨(dú)立能源公司如何緩解傳統(tǒng)蒸發(fā)池的缺點(diǎn)，如加工時(shí)間長和土地利用廣泛。我們考察了ISE技術(shù)的最新進(jìn)展，重點(diǎn)介紹了為高鹽度鹽水設(shè)計(jì)的材料創(chuàng)新和熱管理，這是實(shí)現(xiàn)快速蒸發(fā)和選擇性礦物回收的關(guān)鍵。展望未來，我們分析了阻礙ISE從實(shí)驗(yàn)室向工業(yè)轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵挑戰(zhàn)，包括材料穩(wěn)定性、長期耐用性、技術(shù)經(jīng)濟(jì)可行性和潛在的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。認(rèn)識(shí)到ISE的實(shí)際實(shí)施尚不確定，本研究概述了一個(gè)潛在的路線圖，以指導(dǎo)克服這些障礙和實(shí)現(xiàn)高效、可持續(xù)礦物開采目標(biāo)所需的努力。相關(guān)工作以Interfacial solar evaporation transforms brine mineral recovery為題發(fā)表在《Science Advances》期刊。（中科院一區(qū)TOP，JCR一區(qū)，IF=12.5 ）

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研究內(nèi)容

本綜述系統(tǒng)性地探討了界面太陽能蒸發(fā)（ISE）技術(shù)如何為傳統(tǒng)的鹵水礦物回收行業(yè)帶來變革。研究首先指出，隨著全球?qū)︿嚨汝P(guān)鍵礦物需求的激增，現(xiàn)有的太陽能蒸發(fā)池技術(shù)因其漫長的生產(chǎn)周期（長達(dá)15至18個(gè)月）、巨大的土地占用以及顯著的環(huán)境和社會(huì)影響，已難以滿足可持續(xù)性發(fā)展的要求。在此背景下，ISE技術(shù)作為一種新興的高效界面光熱轉(zhuǎn)換技術(shù)，展現(xiàn)出通過大幅加速蒸發(fā)過程、實(shí)現(xiàn)選擇性礦物提取乃至回收淡水來革新現(xiàn)有生產(chǎn)模式的巨大潛力。文章深入分析了ISE技術(shù)應(yīng)用于高鹽度鹵水環(huán)境所面臨的核心挑戰(zhàn)與相應(yīng)的材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新。鹵水的極端鹽度（可達(dá)飽和）易導(dǎo)致鹽分快速結(jié)晶積累，堵塞蒸發(fā)器結(jié)構(gòu)。為應(yīng)對(duì)這一難題，研究者發(fā)展了多種先進(jìn)的抗鹽策略。例如，通過設(shè)計(jì)親水多孔結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)鹽分回流，利用Janus結(jié)構(gòu)將光熱層與鹵水供給層解耦來避免鹽分侵入，或通過精巧的宏觀結(jié)構(gòu)（如杯狀、傘狀設(shè)計(jì)）引導(dǎo)鹽分在特定區(qū)域定向結(jié)晶以便于收集。此外，非接觸式蒸發(fā)構(gòu)型通過空間分離光熱吸收體與鹵水液面，利用熱輻射驅(qū)動(dòng)蒸發(fā)，從根本上規(guī)避了鹽垢問題。這些設(shè)計(jì)旨在確保設(shè)備在苛刻環(huán)境下的長期運(yùn)行穩(wěn)定性和高效能。在應(yīng)用層面，本研究展望了將ISE技術(shù)整合到現(xiàn)有蒸發(fā)池系統(tǒng)中的多重效益。ISE能夠?qū)⑻柲芗杏糜谒值南嘧冋舭l(fā)，其效率遠(yuǎn)超傳統(tǒng)鹽田，實(shí)驗(yàn)室條件下蒸發(fā)速率甚至可達(dá)傳統(tǒng)方法的20倍，能顯著縮短生產(chǎn)周期。更重要的是，ISE系統(tǒng)可與選擇性分離膜或特異性吸附材料結(jié)合，在蒸發(fā)過程中同步實(shí)現(xiàn)鋰、鈾等有價(jià)值礦物的化學(xué)-free選擇性提取，從而降低后續(xù)純化過程的化學(xué)試劑消耗。同時(shí)，通過集成冷凝系統(tǒng)，ISE還有望回收蒸發(fā)過程中損失的大量淡水，這對(duì)于地處干旱區(qū)的采礦作業(yè)具有重要的環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益。盡管前景廣闊，論文也明確指出ISE技術(shù)走向產(chǎn)業(yè)化所必須克服的障礙。這些挑戰(zhàn)包括材料在高溫、高鹽、強(qiáng)紫外線輻射下的長期耐久性，復(fù)雜多離子鹵水環(huán)境中礦物選擇性提取的精確控制，大規(guī)模水回收系統(tǒng)的工程化集成，以及大規(guī)模部署對(duì)當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)（如候鳥棲息地）的潛在影響。最后，文章強(qiáng)調(diào)未來的發(fā)展需要通過中試驗(yàn)證系統(tǒng)在實(shí)際工況下的性能，并開展全面的生命周期評(píng)估，協(xié)同材料科學(xué)、化學(xué)工程與環(huán)境管理等多學(xué)科力量，共同推動(dòng)這一可持續(xù)技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向規(guī)模化應(yīng)用。

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研究數(shù)據(jù)

圖1.全球鹵水分布和基于太陽蒸發(fā)的礦物回收。(A)主要鹵水資源的全球分布，突出其地理分布、薩拉爾規(guī)模和主要產(chǎn)品的特點(diǎn)。(B)蒸發(fā)濃縮過程的示意圖。(C)演示在鹵水濃縮期間逐步收集礦物的過程。(D)初始礦物分離后的最終產(chǎn)品精煉圖示。(E)描述將原鹽水轉(zhuǎn)化為目標(biāo)產(chǎn)品的代表性蒸發(fā)采礦工作流程。LCD、液晶顯示器。

圖2.耐鹽太陽能蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)策略。(A)加強(qiáng)鹽回流以防止鹽積聚的示意圖。(B)為避免鹽水絕緣而設(shè)計(jì)的Janus結(jié)構(gòu)圖。(C)通過具體的建筑設(shè)計(jì)展示定向鹽結(jié)晶。(D)非接觸式設(shè)計(jì)，避免鹽垢。(E)帶質(zhì)量傳輸橋的三維蒸發(fā)器設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)高效的鹽回流。(F)蒸發(fā)器的設(shè)計(jì)依賴于流體流動(dòng)優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)高效的鹽回流和熱管理。(G)以睡蓮為靈感的Janus蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)用于除鹽和熱限制。(H)垂直的Janus結(jié)構(gòu)，通過將光熱層和鹵水傳輸層放置在相對(duì)的兩側(cè)來避免鹽積聚。(I)杯狀太陽能蒸發(fā)器，在杯壁外循環(huán)放置鹽。(J)抗鹽蒸發(fā)器，設(shè)計(jì)用于自動(dòng)收集鹽，鹽在邊緣結(jié)晶。(K)錐形蒸發(fā)器，在頂端有局部結(jié)晶。(L)傘形非接觸式蒸發(fā)器，專為高鹽度鹽水設(shè)計(jì)。

圖3.將ISE與咸水池運(yùn)行相結(jié)合的方法。(A)鹵水開采過程示意圖，突出了蒸發(fā)緩慢、大量使用化學(xué)品和大量失水等挑戰(zhàn)。(B)說明ISE技術(shù)可通過高效的陽光捕捉、環(huán)境熱利用、對(duì)流氣流利用、熱管理和耐鹽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來增強(qiáng)蒸發(fā)。(C)蒸發(fā)池的蒸發(fā)率比較、蒸發(fā)池蒸發(fā)量的理論極限(1太陽以下)，以及利用環(huán)境熱量和對(duì)流氣流的串式蒸發(fā)器(在1.5m S?1風(fēng)速下39小時(shí)）。(D)演示可在空間上分離礦物并提高蒸發(fā)率的串式蒸發(fā)器。(E)太陽能驅(qū)動(dòng)裝置，用于通過選擇性膜進(jìn)行定向礦物提取。(F)演示通過選擇性吸附捕獲目標(biāo)礦物。(G)通過蒸汽冷凝收集淡水的太陽能蒸餾器示意圖。(H)展示通過潛熱回收加強(qiáng)淡水生產(chǎn)的多級(jí)結(jié)構(gòu)。(I)使用透明冷凝器、反向結(jié)構(gòu)和多級(jí)結(jié)構(gòu)回收水蒸氣的典型太陽能蒸餾器的太陽能對(duì)水的效率比較。

圖4.集成ISE技術(shù)的未來鹵水池運(yùn)行。(A)將ISE納入蒸發(fā)池的設(shè)想，以加速蒸發(fā)，實(shí)現(xiàn)直接礦物采集，并促進(jìn)選擇性礦物提取和淡水采集。(B)展示對(duì)重量平衡敏感的自旋式蒸發(fā)器。(C)通過部署蒸發(fā)器實(shí)現(xiàn)溫度梯度增強(qiáng)的分級(jí)降水示意圖。(D)具有生物靈感的表面，具有可改變的潤濕性，以增強(qiáng)冷凝液收集。(E)在長時(shí)間的太陽曝曬期間，成分淋失的示范。(F)推進(jìn)鹵水開采獨(dú)立選擇環(huán)境的限制、解決辦法、機(jī)遇和挑戰(zhàn)。

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研究結(jié)論

本研究系統(tǒng)論證了界面太陽能蒸發(fā)技術(shù)為傳統(tǒng)鹵水礦物回收領(lǐng)域帶來的變革性前景及其面臨的現(xiàn)實(shí)挑戰(zhàn)。當(dāng)前鹵水采礦依賴的太陽能蒸發(fā)池雖成本低廉，但存在蒸發(fā)效率低、土地占用廣、生產(chǎn)周期長以及化學(xué)試劑依賴性強(qiáng)等突出問題，尤其在鋰等關(guān)鍵礦產(chǎn)需求激增的背景下，這些瓶頸日益凸顯。在此背景下，ISE技術(shù)通過將光熱轉(zhuǎn)換過程精準(zhǔn)定位在液-氣界面，實(shí)現(xiàn)了蒸發(fā)效率的飛躍，其理論極限遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)鹽田，并能通過與三維結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合有效利用環(huán)境中的風(fēng)能和環(huán)境熱能，有望將蒸發(fā)周期從十幾個(gè)月大幅縮短至數(shù)周，從而顯著減少土地需求和生產(chǎn)時(shí)間。面對(duì)高鹽度甚至接近飽和的鹵水環(huán)境，ISE技術(shù)已發(fā)展出多種創(chuàng)新的抗鹽設(shè)計(jì)策略。例如，通過增強(qiáng)鹽分回流利用濃度梯度驅(qū)動(dòng)離子反向擴(kuò)散，或采用Janus結(jié)構(gòu)將疏水光熱層與親水供液層分離以物理阻隔鹽分侵入，更有研究通過精巧的宏觀結(jié)構(gòu)引導(dǎo)鹽分在特定區(qū)域定向結(jié)晶以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)收集，以及非接觸式構(gòu)型通過輻射傳熱徹底避免器件與鹵水直接接觸。這些設(shè)計(jì)旨在維持蒸發(fā)器在極端條件下的長期穩(wěn)定運(yùn)行。在此基礎(chǔ)上，ISE的整合應(yīng)用展現(xiàn)出多維度的增值潛力。它不僅能夠加速蒸發(fā)，更可與選擇性分離膜或功能吸附材料結(jié)合，在蒸發(fā)過程中同步實(shí)現(xiàn)鋰、鈾等目標(biāo)礦物的選擇性提取，減少后續(xù)化學(xué)純化的負(fù)擔(dān)。同時(shí)，通過集成蒸汽冷凝系統(tǒng)，ISE有望回收蒸發(fā)過程中損失的大量淡水，這對(duì)于干旱地區(qū)的采礦作業(yè)具有重要的資源循環(huán)意義。初步技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析表明，ISE在現(xiàn)有鹽田基礎(chǔ)上的改造升級(jí)可能帶來可觀的經(jīng)濟(jì)收益，并在能耗、化學(xué)品使用和土地占用等方面展現(xiàn)出更優(yōu)的環(huán)境友好性。然而，該技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工業(yè)化應(yīng)用仍面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。真實(shí)鹵水的復(fù)雜離子組成易導(dǎo)致混合鹽垢堵塞結(jié)構(gòu)，材料在長期強(qiáng)紫外線和高鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性有待驗(yàn)證，大規(guī)模水回收系統(tǒng)的工程集成難度較高，且大面積部署對(duì)鹽湖脆弱生態(tài)系統(tǒng)的潛在影響尚未明晰。未來發(fā)展的關(guān)鍵路徑在于通過模塊化設(shè)計(jì)降低制造成本，開展長期實(shí)地中試驗(yàn)證性能，利用智能化技術(shù)優(yōu)化系統(tǒng)運(yùn)維，并在推進(jìn)過程中高度重視與當(dāng)?shù)厣鐓^(qū)和監(jiān)管機(jī)構(gòu)的溝通，構(gòu)建可持續(xù)的社會(huì)許可。總之，ISE技術(shù)雖充滿希望，但其真正落地仍需材料科學(xué)、工程技術(shù)與環(huán)境管理等多學(xué)科的深度融合與持續(xù)創(chuàng)新。

DOI:10.1126/sciadv.adx3242

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