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高分子科学前沿 · 公众号 · 化学 · 2024-09-27 07:28

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太阳能蒸腾驱动的锂提取和存储！

锂矿开采是能源密集型且环境成本高的行业。这是因为锂离子通常作为次要成分存在于盐水中，与难以分离的物理化学相似的阳离子混合。

受大自然选择性提取蒸腾物质的能力的启发，南京大学朱嘉教授、加州大学伯克利分校米宝霞教授报告了一种太阳能蒸腾驱动的锂提取和存储（STLES）设备，该设备可以利用自然阳光从盐水中提取和存储锂。具体来说，该设备使用分层结构的太阳能蒸腾蒸发器来创建压力梯度，从而允许通过膜从盐水中提取锂并将其存储在单元存储层中。长期实验、各种膜测试和不同尺寸评估证明了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。相关研究成果以题为“Solar transpiration–powered lithium extraction and storage”发表在最新一期《Science》上。

【策略设计】

作者开发了一种太阳能蒸腾驱动的锂提取和存储（STLES）设备，目标是实现更绿色的锂开采。其结构和工作原理如图1A至E所示。该策略抓住了盐生植物ESR机制的主要属性，并涉及三个主要步骤：（i）太阳蒸腾作用在蒸发器内产生高毛细管压力；(ii)该蒸腾压力传递至膜，导致锂从盐水流入锂存储层；(iii)水循环将提取的锂输送到储存器并使设备再生。Young-Laplace方程预测P_trans=4γcosθ/d_p，其中γ为水的表面张力，θ为水在蒸发器上的接触角，dp为蒸发器的孔径（图1F）。考虑到NF通常在5至20bar下运行，蒸腾蒸发器必须是亲水性的(θ~60°)和纳米孔的(d_p<288nm)。其次，蒸发器必须产生高蒸腾通量才能实现高锂生产率。理论分析表明，蒸腾通量J稍微依赖于θ和d_p，但主要受蒸发器温度T_evap控制（图1G）。此外，需要小于气泡核临界尺寸(DC≈4γ/P_trans)的紧密通道来防止气泡引起的空化（图1H），并且需要高孔隙率容纳提取的盐。

作者开发了一种被动式浮动STLES（图1A），它由铝基分层膜组成，作为高压（18bar）、高通量（1.8Lm^-2h^-1）太阳能蒸腾蒸发器（图1C）；尺寸可控的熔融石英玻璃料作为锂存储层（图1D）；以及NF膜（图1E）。STLES可以利用自然阳光从盐水中提取和储存锂，无需耕地或额外的能源投入。

图 1. STLES 的概念和设计

【太阳能蒸腾蒸发器及锂储存层】

图2A中的零水通量点表明蒸发器的实际P_trans为18.7bar。与传统的非光热蒸发器相比，该太阳能蒸腾蒸发器表现出增强的太阳能吸收率（97％对11％），更高的温度（在单太阳照射下354对320K；图2B））和改善的蒸腾通量（在一个太阳照射下，1.28Lm^-1h^-1与0.59Lm^-1相比；图2C）。作者使用陶瓷熔块作为锂存储层（图2D）。作者选择d球=700nm的二氧化硅球作为前体（图2E），期望=150nm。压汞孔隙率测定证实所制备的存储层的空隙尺寸为151nm（图2F），小于DC（P_trans=18.5bar时为160nm），从而有效降低了空化风险。在500 Wm^-2和1000 Wm^-2照射下连续进行蒸腾测试50小时，分别代表阴天和晴天。在50小时的蒸腾测试中，没有观察到蒸腾通量明显下降，这表明其具有出色的工作稳定性（图2G）。

图 2. 太阳能蒸腾蒸发器和锂存储层的设计和表征

【器件制造和锂提取性能】

作者接着开发了概念验证STLES平台（图3A）。该平台包括一系列模块（图3B），每个模块有八层（图3C）。图 3D显示了锂提取性能对盐水MLR的依赖性。图3E显示，当增加进料盐度时，锂渗透性首先增加，因为在较高盐度下盐分配到膜中得到增强，从而导致更高的盐通量。图3F表明STLES可以成功地从盐水中提取锂，提取的选择性取决于盐水成分。与盐生植物类似，STLES的一个具体优点是其在含盐条件下的运行稳定性，因为它具有丰富的孔隙来容纳提取的盐，并且可以通过水循环再生。STLES在528小时后保持了生产率和选择性，总共仅再生2小时（图3G）验证了这些优势。

图 3. 器件制造和锂提取性能

【兼容性和可扩展性】

图4A显示STLES可以与各种类型的NF膜配合使用，实现高达24的锂选择性。除了材料进步之外，STLES的性能还可以通过系统设计来增强。如图4B所示，多个STLES串联连接，其中来自前一级的渗透物成为下一级的进料。模块化配置使得多个 STLES 的组合能够创建一个可以大规模提取锂的大型平台（图4C，D），这凸显了该方法的出色可扩展性。

图 4. STLES 的兼容性和可扩展性

【总结】

本文报告了STLES装置的设计和演示，该装置利用自然阳光在环境条件下从盐水中提取锂，无需耕地，产生的温室气体接近于零。与当前和新兴的锂提取方法相比，STLES具有多种优势。首先，一旦安装，其被动方式就可以进行成本、能源和碳有效的锂开采。其次，它可以与现有蒸发池无缝集成，现有蒸发池用于87%的锂矿开采设施，从而降低安装成本。第三，它可以漂浮在盐水上，减少土地足迹。最后，预计在STLES中使用高蒸腾压力蒸发器[例如水凝胶膜]将有助于处理渗透压高达400 bar的高盐卤水，是目前的膜过滤系统渗透压极限的五倍。

【作者简介】

朱嘉，南京大学教授、博士生导师，国家杰出青年基金获得者，教育部科技委委员，美国光学学会会士，英国皇家化学学会会士。2010年获美国斯坦福大学工学博士学位，师从大牛崔屹。随后在加州大学伯克利分校和劳伦斯伯克利国家实验室做博后，期间获得“中国政府优秀留学生奖”、“国际材料学会优秀研究生金奖”和“美国化学学会无机化学青年科学家” 等称号。2013年9月回到南京大学组建纳米能源研究小组，2016年入选美国《麻省理工学院技术评论》第十六届全球35岁以下创新者榜单；2019年获得国家杰出青年科学基金资助。曾获第二界科学探索奖（2020）、陈嘉庚青年科学家奖（2018）、美国光学学会青年科学家奖(2017)、江苏省五四青年奖章（2017）、杜邦青年教授奖(2016)、饶毓泰基础光学奖优秀奖（2016）、麻省理工技术评论全球青年创新人物奖(2016)等。

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来源：高分子科学前沿

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