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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估了在礦物需求上升的背景下，獨立能源公司如何緩解傳統(tǒng)蒸發(fā)池的缺點，如加工時間長和土地利用廣泛。我們考察了ISE技術的最新進展，重點介紹了為高鹽度鹽水設計的材料創(chuàng)新和熱管理，這是實現(xiàn)快速蒸發(fā)和選擇性礦物回收的關鍵。展望未來，我們分析了阻礙ISE從實驗室向工業(yè)轉型的關鍵挑戰(zhàn)，包括材料穩(wěn)定性、長期耐用性、技術經(jīng)濟可行性和潛在的環(huán)境風險。認識到ISE的實際實施尚不確定，本研究概述了一個潛在的路線圖，以指導克服這些障礙和實現(xiàn)高效、可持續(xù)礦物開采目標所需的努力。相關工作以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鍵礦物需求的激增，現(xiàn)有的太陽能蒸發(fā)池技術因其漫長的生產(chǎn)周期（長達15至18個月）、巨大的土地占用以及顯著的環(huán)境和社會影響，已難以滿足可持續(xù)性發(fā)展的要求。在此背景下，ISE技術作為一種新興的高效界面光熱轉換技術，展現(xiàn)出通過大幅加速蒸發(fā)過程、實現(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技術應用于高鹽度鹵水環(huán)境所面臨的核心挑戰(zhàn)與相應的材料設計創(chuàng)新。鹵水的極端鹽度（可達飽和）易導致鹽分快速結晶積累，堵塞蒸發(fā)器結構。為應對這一難題，研究者發(fā)展了多種先進的抗鹽策略。例如，通過設計親水多孔結構以增強鹽分回流，利用Janus結構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構（如杯狀、傘狀設計）引導鹽分在特定區(qū)域定向結晶以便于收集。此外，非接觸式蒸發(fā)構型通過空間分離光熱吸收體與鹵水液面，利用熱輻射驅(qū)動蒸發(fā)，從根本上規(guī)避了鹽垢問題。這些設計旨在確保設備在苛刻環(huán)境下的長期運行穩(wěn)定性和高效能。在應用層面，本研究展望了將ISE技術整合到現(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)，其效率遠超傳統(tǒng)鹽田，實驗室條件下蒸發(fā)速率甚至可達傳統(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合，在蒸發(fā)過程中同步實現(xiàn)鋰、鈾等有價值礦物的化學-free選擇性提取，從而降低后續(xù)純化過程的化學試劑消耗。同時，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)濟效益。盡管前景廣闊，論文也明確指出ISE技術走向產(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、強紫外線輻射下的長期耐久性，復雜多離子鹵水環(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)模部署對當?shù)厣鷳B(tài)系統(tǒng)（如候鳥棲息地）的潛在影響。最后，文章強調(diào)未來的發(fā)展需要通過中試驗證系統(tǒng)在實際工況下的性能，并開展全面的生命周期評估，協(xié)同材料科學、化學工程與環(huán)境管理等多學科力量，共同推動這一可持續(xù)技術從實驗室走向規(guī)模化應用。

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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。(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)描述將原鹽水轉化為目標產(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)器的設計策略。(A)加強鹽回流以防止鹽積聚的示意圖。(B)為避免鹽水絕緣而設計的Janus結構圖。(C)通過具體的建筑設計展示定向鹽結晶。(D)非接觸式設計，避免鹽垢。(E)帶質(zhì)量傳輸橋的三維蒸發(fā)器設計，可實現(xiàn)高效的鹽回流。(F)蒸發(fā)器的設計依賴于流體流動優(yōu)化，以實現(xiàn)高效的鹽回流和熱管理。(G)以睡蓮為靈感的Janus蒸發(fā)器，設計用于除鹽和熱限制。(H)垂直的Janus結構，通過將光熱層和鹵水傳輸層放置在相對的兩側來避免鹽積聚。(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，設計用于自動收集鹽，鹽在邊緣結晶。(K)錐形蒸發(fā)器，在頂端有局部結晶。(L)傘形非接觸式蒸發(fā)器，專為高鹽度鹽水設計。

圖3.將ISE與咸水池運行相結合的方法。(A)鹵水開采過程示意圖，突出了蒸發(fā)緩慢、大量使用化學品和大量失水等挑戰(zhàn)。(B)說明ISE技術可通過高效的陽光捕捉、環(huán)境熱利用、對流氣流利用、熱管理和耐鹽結構設計來增強蒸發(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)境熱量和對流氣流的串式蒸發(fā)器(在1.5m S?1風速下39小時）。(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)動裝置，用于通過選擇性膜進行定向礦物提取。(F)演示通過選擇性吸附捕獲目標礦物。(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淡水生產(chǎn)的多級結構。(I)使用透明冷凝器、反向結構和多級結構回收水蒸氣的典型太陽能蒸餾器的太陽能對水的效率比較。

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

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研究結論

本研究系統(tǒng)論證了界面太陽能蒸發(fā)技術為傳統(tǒng)鹵水礦物回收領域帶來的變革性前景及其面臨的現(xiàn)實挑戰(zhàn)。當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)周期長以及化學試劑依賴性強等突出問題，尤其在鋰等關鍵礦產(chǎn)需求激增的背景下，這些瓶頸日益凸顯。在此背景下，ISE技術通過將光熱轉換過程精準定位在液-氣界面，實現(xiàn)了蒸發(fā)效率的飛躍，其理論極限遠高于傳統(tǒng)鹽田，并能通過與三維結構設計結合有效利用環(huán)境中的風能和環(huán)境熱能，有望將蒸發(fā)周期從十幾個月大幅縮短至數(shù)周，從而顯著減少土地需求和生產(chǎn)時間。面對高鹽度甚至接近飽和的鹵水環(huán)境，ISE技術已發(fā)展出多種創(chuàng)新的抗鹽設計策略。例如，通過增強鹽分回流利用濃度梯度驅(qū)動離子反向擴散，或采用Janus結構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構引導鹽分在特定區(qū)域定向結晶以實現(xiàn)自動收集，以及非接觸式構型通過輻射傳熱徹底避免器件與鹵水直接接觸。這些設計旨在維持蒸發(fā)器在極端條件下的長期穩(wěn)定運行。在此基礎上，ISE的整合應用展現(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合，在蒸發(fā)過程中同步實現(xiàn)鋰、鈾等目標礦物的選擇性提取，減少后續(xù)化學純化的負擔。同時，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。初步技術經(jīng)濟分析表明，ISE在現(xiàn)有鹽田基礎上的改造升級可能帶來可觀的經(jīng)濟收益，并在能耗、化學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，該技術從實驗室走向工業(yè)化應用仍面臨嚴峻挑戰(zhàn)。真實鹵水的復雜離子組成易導致混合鹽垢堵塞結構，材料在長期強紫外線和高鹽腐蝕環(huán)境下的耐久性有待驗證，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)展的關鍵路徑在于通過模塊化設計降低制造成本，開展長期實地中試驗證性能，利用智能化技術優(yōu)化系統(tǒng)運維，并在推進過程中高度重視與當?shù)厣鐓^(qū)和監(jiān)管機構的溝通，構建可持續(xù)的社會許可?？傊?，ISE技術雖充滿希望，但其真正落地仍需材料科學、工程技術與環(huán)境管理等多學科的深度融合與持續(xù)創(chuàng)新。

DOI:10.1126/sciadv.adx3242

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