Sci. Adv.||界面太阳能蒸发转化卤水矿物回收

1

研究背景

界面太阳能蒸发(ISE)主要用于海水淡化，为卤水开采提供了一条潜在的途径。这一前景审查初步评估了在矿物需求上升的背景下，独立能源公司如何缓解传统蒸发池的缺点，如加工时间长和土地利用广泛。我们考察了ISE技术的最新进展，重点介绍了为高盐度盐水设计的材料创新和热管理，这是实现快速蒸发和选择性矿物回收的关键。展望未来，我们分析了阻碍ISE从实验室向工业转型的关键挑战，包括材料稳定性、长期耐用性、技术经济可行性和潜在的环境风险。认识到ISE的实际实施尚不确定，本研究概述了一个潜在的路线图，以指导克服这些障碍和实现高效、可持续矿物开采目标所需的努力。相关工作以Interfacial solar evaporation transforms brine mineral recovery为题发表在《Science Advances》期刊。（中科院一区TOP，JCR一区，IF=12.5 ）

2

研究内容

本综述系统性地探讨了界面太阳能蒸发（ISE）技术如何为传统的卤水矿物回收行业带来变革。研究首先指出，随着全球对锂等关键矿物需求的激增，现有的太阳能蒸发池技术因其漫长的生产周期（长达15至18个月）、巨大的土地占用以及显著的环境和社会影响，已难以满足可持续性发展的要求。在此背景下，ISE技术作为一种新兴的高效界面光热转换技术，展现出通过大幅加速蒸发过程、实现选择性矿物提取乃至回收淡水来革新现有生产模式的巨大潜力。文章深入分析了ISE技术应用于高盐度卤水环境所面临的核心挑战与相应的材料设计创新。卤水的极端盐度（可达饱和）易导致盐分快速结晶积累，堵塞蒸发器结构。为应对这一难题，研究者发展了多种先进的抗盐策略。例如，通过设计亲水多孔结构以增强盐分回流，利用Janus结构将光热层与卤水供给层解耦来避免盐分侵入，或通过精巧的宏观结构（如杯状、伞状设计）引导盐分在特定区域定向结晶以便于收集。此外，非接触式蒸发构型通过空间分离光热吸收体与卤水液面，利用热辐射驱动蒸发，从根本上规避了盐垢问题。这些设计旨在确保设备在苛刻环境下的长期运行稳定性和高效能。在应用层面，本研究展望了将ISE技术整合到现有蒸发池系统中的多重效益。ISE能够将太阳能集中用于水分的相变蒸发，其效率远超传统盐田，实验室条件下蒸发速率甚至可达传统方法的20倍，能显著缩短生产周期。更重要的是，ISE系统可与选择性分离膜或特异性吸附材料结合，在蒸发过程中同步实现锂、铀等有价值矿物的化学-free选择性提取，从而降低后续纯化过程的化学试剂消耗。同时，通过集成冷凝系统，ISE还有望回收蒸发过程中损失的大量淡水，这对于地处干旱区的采矿作业具有重要的环境和经济效益。尽管前景广阔，论文也明确指出ISE技术走向产业化所必须克服的障碍。这些挑战包括材料在高温、高盐、强紫外线辐射下的长期耐久性，复杂多离子卤水环境中矿物选择性提取的精确控制，大规模水回收系统的工程化集成，以及大规模部署对当地生态系统（如候鸟栖息地）的潜在影响。最后，文章强调未来的发展需要通过中试验证系统在实际工况下的性能，并开展全面的生命周期评估，协同材料科学、化学工程与环境管理等多学科力量，共同推动这一可持续技术从实验室走向规模化应用。

3

研究数据

图1.全球卤水分布和基于太阳蒸发的矿物回收。(A)主要卤水资源的全球分布，突出其地理分布、萨拉尔规模和主要产品的特点。(B)蒸发浓缩过程的示意图。(C)演示在卤水浓缩期间逐步收集矿物的过程。(D)初始矿物分离后的最终产品精炼图示。(E)描述将原盐水转化为目标产品的代表性蒸发采矿工作流程。LCD、液晶显示器。

图2.耐盐太阳能蒸发器的设计策略。(A)加强盐回流以防止盐积聚的示意图。(B)为避免盐水绝缘而设计的Janus结构图。(C)通过具体的建筑设计展示定向盐结晶。(D)非接触式设计，避免盐垢。(E)带质量传输桥的三维蒸发器设计，可实现高效的盐回流。(F)蒸发器的设计依赖于流体流动优化，以实现高效的盐回流和热管理。(G)以睡莲为灵感的Janus蒸发器，设计用于除盐和热限制。(H)垂直的Janus结构，通过将光热层和卤水传输层放置在相对的两侧来避免盐积聚。(I)杯状太阳能蒸发器，在杯壁外循环放置盐。(J)抗盐蒸发器，设计用于自动收集盐，盐在边缘结晶。(K)锥形蒸发器，在顶端有局部结晶。(L)伞形非接触式蒸发器，专为高盐度盐水设计。

图3.将ISE与咸水池运行相结合的方法。(A)卤水开采过程示意图，突出了蒸发缓慢、大量使用化学品和大量失水等挑战。(B)说明ISE技术可通过高效的阳光捕捉、环境热利用、对流气流利用、热管理和耐盐结构设计来增强蒸发。(C)蒸发池的蒸发率比较、蒸发池蒸发量的理论极限(1太阳以下)，以及利用环境热量和对流气流的串式蒸发器(在1.5m S−1风速下39小时）。(D)演示可在空间上分离矿物并提高蒸发率的串式蒸发器。(E)太阳能驱动装置，用于通过选择性膜进行定向矿物提取。(F)演示通过选择性吸附捕获目标矿物。(G)通过蒸汽冷凝收集淡水的太阳能蒸馏器示意图。(H)展示通过潜热回收加强淡水生产的多级结构。(I)使用透明冷凝器、反向结构和多级结构回收水蒸气的典型太阳能蒸馏器的太阳能对水的效率比较。

图4.集成ISE技术的未来卤水池运行。(A)将ISE纳入蒸发池的设想，以加速蒸发，实现直接矿物采集，并促进选择性矿物提取和淡水采集。(B)展示对重量平衡敏感的自旋式蒸发器。(C)通过部署蒸发器实现温度梯度增强的分级降水示意图。(D)具有生物灵感的表面，具有可改变的润湿性，以增强冷凝液收集。(E)在长时间的太阳曝晒期间，成分淋失的示范。(F)推进卤水开采独立选择环境的限制、解决办法、机遇和挑战。

4

研究结论

本研究系统论证了界面太阳能蒸发技术为传统卤水矿物回收领域带来的变革性前景及其面临的现实挑战。当前卤水采矿依赖的太阳能蒸发池虽成本低廉，但存在蒸发效率低、土地占用广、生产周期长以及化学试剂依赖性强等突出问题，尤其在锂等关键矿产需求激增的背景下，这些瓶颈日益凸显。在此背景下，ISE技术通过将光热转换过程精准定位在液-气界面，实现了蒸发效率的飞跃，其理论极限远高于传统盐田，并能通过与三维结构设计结合有效利用环境中的风能和环境热能，有望将蒸发周期从十几个月大幅缩短至数周，从而显著减少土地需求和生产时间。面对高盐度甚至接近饱和的卤水环境，ISE技术已发展出多种创新的抗盐设计策略。例如，通过增强盐分回流利用浓度梯度驱动离子反向扩散，或采用Janus结构将疏水光热层与亲水供液层分离以物理阻隔盐分侵入，更有研究通过精巧的宏观结构引导盐分在特定区域定向结晶以实现自动收集，以及非接触式构型通过辐射传热彻底避免器件与卤水直接接触。这些设计旨在维持蒸发器在极端条件下的长期稳定运行。在此基础上，ISE的整合应用展现出多维度的增值潜力。它不仅能够加速蒸发，更可与选择性分离膜或功能吸附材料结合，在蒸发过程中同步实现锂、铀等目标矿物的选择性提取，减少后续化学纯化的负担。同时，通过集成蒸汽冷凝系统，ISE有望回收蒸发过程中损失的大量淡水，这对于干旱地区的采矿作业具有重要的资源循环意义。初步技术经济分析表明，ISE在现有盐田基础上的改造升级可能带来可观的经济收益，并在能耗、化学品使用和土地占用等方面展现出更优的环境友好性。然而，该技术从实验室走向工业化应用仍面临严峻挑战。真实卤水的复杂离子组成易导致混合盐垢堵塞结构，材料在长期强紫外线和高盐腐蚀环境下的耐久性有待验证，大规模水回收系统的工程集成难度较高，且大面积部署对盐湖脆弱生态系统的潜在影响尚未明晰。未来发展的关键路径在于通过模块化设计降低制造成本，开展长期实地中试验证性能，利用智能化技术优化系统运维，并在推进过程中高度重视与当地社区和监管机构的沟通，构建可持续的社会许可。总之，ISE技术虽充满希望，但其真正落地仍需材料科学、工程技术与环境管理等多学科的深度融合与持续创新。

DOI:10.1126/sciadv.adx3242

声明：仅代表作者个人观点，如有不科学之处请在下方留言指正！！！