文献快讯：Nat. Water 太阳能驱动的扩散-对流-结晶过程调控，离子分离新方法

【成果掠影 & 研究背景】

传统盐类提纯工艺（如沉淀法、膜过滤等）存在能耗高、步骤繁琐、环境负担大等问题，尤其难以从混合盐水中选择性提取高纯度盐。针对这一挑战，本研究提出了一种基于扩散驱动的选择性结晶策略（DiSC），通过抑制非选择性离子传输过程（如对流），利用离子扩散系数差异实现目标离子的定向富集。团队设计了一种浮动多孔膜蒸发器，成功从含Na+/K+、Ba2+/K+、Mg2+/Li+等混合盐水中一步法提取纯度超过99.10%的盐晶体。以真实海水为例，该技术无需预处理即可直接产出纯度达99.36%的NaCl，蒸发速率稳定在1.49 kg·m⁻²·h⁻¹，盐产率达28 g·m⁻²·d⁻¹，较传统盐田法提升2倍。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

• 扩散主导机制：

  通过30 nm孔径膜抑制对流，使Na+（扩散系数0.87×10⁻⁹ m²/s）较K+（2.17×10⁻⁹ m²/s）优先结晶，纯度提升至99.59%。

• 动态平衡调控：

  建立毛细流量（U）与扩散速率（Rmax）竞争模型

• 普适性验证：

  拓展至Ba2+/K+（纯度99.64%）和Mg2+/Li+（纯度99.60%）体系，证实策略对二价/一价离子分离有效性。

• 太阳能集成设计：

  采用碳黑涂层玻璃纤维膜（孔径2.23 μm）的太阳能蒸发器，PS泡沫厚度从20 mm降至7 mm时NaCl纯度从93.59%提升至99.18%。

• 工业适配潜力：

  模拟工业蒸发条件（34.16 kg·m⁻²·h⁻¹），通过缩短扩散长度至0.05 mm可实现1.21 kg·m⁻²·h⁻¹的高纯盐产率。

图1：DiSC策略原理与多孔膜蒸发器设计

图2：陶瓷膜上盐结晶状态的COMSOL模拟与实验结果（NaCl/KCl体系）

图3：Ba2+/K+和Mg2+/Li+混合体系的选择性结晶

图4：太阳能蒸发器从真实海水中直接生产高纯NaCl

【总结 & 原文链接】

本研究提出的DiSC策略颠覆了传统依赖复杂工艺的盐分离模式，通过精准调控扩散与毛细流动的竞争关系，首次实现从混合盐水中一步法提取超高纯度盐。该技术不仅为盐湖提锂、海水资源化等场景提供了可持续解决方案，其理论模型还可指导其他基于扩散差异的离子分离系统设计。未来通过膜孔功能化修饰（如冠醚基团），有望进一步拓展至稀土元素等战略资源分离领域。

原文链接: https://doi.org/10.1038/s44221-025-00474-z

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