用于从索尔顿海地热盐水中可持续回收锂的直接沉淀技术

《Sustainable Materials and Technologies》：Direct precipitation technique for sustainable lithium recovery from Salton Sea geothermal brine

地热卤水作为锂资源的新兴来源，本研究提出直接铝酸盐沉淀结合煅烧/水浸出工艺的高效锂提取技术。通过添加AlCl3在90℃中性条件下快速沉淀锂形成LiAl层状双氢氧化物（>97%沉淀效率），钙杂质选择性低（1.2%沉淀），煅烧后通过水浸出获得22659 mg/L高浓度锂溶液，碳化得99.8%纯度Li2CO3。铝副产物实现100%循环利用，全过程节水且无预处理需求。

　　在当前全球能源转型加速的背景下，锂资源的需求正以惊人的速度增长，尤其是在电动汽车电池市场的迅速扩张推动下。锂作为关键的清洁能源材料，其供应稳定性直接关系到新能源产业的可持续发展。因此，寻找高效、环保且经济的锂提取技术成为研究热点。地热卤水因其高锂浓度和低镁含量而被认为是一种极具潜力的锂资源，尤其在具有活跃地热场的国家，如美国加利福尼亚州的萨尔顿海地热卤水（SSGB）更是被美国能源部列为重要的国内锂资源。据估计，该地区每年可生产约21,500吨锂，相当于115,000吨碳酸锂。这一巨大的储量为锂的提取提供了新的机遇，同时也带来了对现有技术的挑战。

传统的锂提取方法，如太阳能蒸发法，虽然在某些条件下具有可行性，但其应用受限于地热卤水的特殊性质。地热卤水通常具有高盐度和高钙浓度，这些特性使得常规的蒸发浓缩过程不仅效率低下，而且能耗巨大，难以满足大规模生产的需求。此外，地热卤水在发电过程中往往达到260°C的高温，即使在冷却后，其温度仍高于60°C，这进一步增加了处理的复杂性和成本。因此，开发一种能够适应高温地热卤水条件的高效锂提取技术显得尤为迫切。

在此背景下，直接锂提取（DLE）技术成为研究重点。DLE技术的核心在于能够在不经过复杂预处理的情况下直接从卤水中提取锂。然而，现有的DLE技术仍面临诸多挑战。例如，基于吸附的DLE方法虽然已实现商业化，但其锂吸附容量较低（通常低于10 mg/g），且对杂质的选择性不足，导致后续需要昂贵的纳米过滤或反渗透等步骤进行纯化。此外，锂离子在卤水中的过度脱嵌可能会导致铝基吸附剂的失效，影响整体提取效率。

为了解决这些问题，研究团队提出了一种结合铝酸盐沉淀与煅烧/浸出工艺的新型锂提取方法。该方法的核心在于通过化学沉淀的方式，将锂转化为不溶性的锂铝层状双氢氧化物（LDH），从而实现高效的锂分离。随后，通过煅烧处理，将LDH转化为可溶的氯化锂（LiCl），再利用水浸出工艺将其与杂质分离。这种方法不仅避免了复杂的预处理步骤，还能够在较低能耗下实现锂的高效回收。

在实验过程中，研究团队使用合成的SSGB进行测试，其锂浓度为292 mg/L，而钙浓度高达39,535 mg/L，约为锂浓度的130倍。这种高钙含量对锂提取提出了严峻挑战，因为钙的存在可能会干扰锂的沉淀过程，降低提取效率。然而，通过优化沉淀条件，如调节溶液的pH值、铝与锂的摩尔比、反应温度和时间，研究团队成功实现了锂的高效沉淀。在90°C的反应条件下，仅需20分钟即可实现超过97%的锂回收率，同时钙的沉淀效率仅为1.2%，显示出对锂的高度选择性。这一结果表明，该方法在处理高钙含量地热卤水时具有显著优势。

随后，通过煅烧处理，将锂铝LDH转化为氯化锂。煅烧过程不仅能够有效分离锂与杂质，还能提高锂的可溶性，使其在后续的水浸出步骤中更容易被提取。实验结果显示，煅烧后的锂盐能够实现超过80%的锂回收率，而残留的铝化合物则几乎完全可回收，为资源的循环利用提供了可能。此外，通过多级富集工艺，研究团队成功将锂浓度提升至22,659 mg/L，是初始SSGB浓度的78倍，从而实现了高纯度碳酸锂（Li?CO?）的制备。最终获得的碳酸锂纯度高达99.8%，证明了该方法在锂纯化方面的有效性。

值得注意的是，该方法在水资源保护方面也展现出独特的优势。在提取过程中，至少90%的卤水溶液能够通过过滤过程回收，大大减少了水资源的消耗。此外，铝化合物的高回收率也意味着该技术在资源利用上的可持续性。这种高效的锂提取和回收技术，不仅能够满足日益增长的锂需求，还能减少对环境的影响，为未来的绿色能源发展提供支持。

本研究的创新点在于，将铝酸盐沉淀与煅烧/浸出工艺相结合，形成了一种完整的锂提取流程。这一流程不仅适用于SSGB，还具有一定的通用性，可以推广到其他类型的高盐度卤水处理中。通过系统的研究，团队明确了各个步骤的关键参数，并验证了该方法在实际应用中的可行性。特别是，在钙含量极高的地热卤水中，该方法依然能够保持较高的锂回收率和选择性，显示出其在复杂卤水处理中的强大适应能力。

此外，研究团队还探讨了该方法在工业应用中的潜在优势。例如，铝化合物的高回收率不仅降低了原料成本，还减少了废弃物的产生，符合循环经济的理念。同时，由于整个过程不需要依赖高能耗的蒸发步骤，因此在能源消耗方面也具有显著优势。这种低能耗、高效率的锂提取方法，为地热卤水的规模化锂生产提供了新的思路。

总的来说，这项研究为地热卤水锂提取提供了一种高效、环保且经济的解决方案。通过铝酸盐沉淀与煅烧/浸出工艺的结合，研究团队成功实现了高纯度碳酸锂的制备，并有效回收了大量卤水和铝化合物。这些成果不仅为锂资源的可持续开发提供了技术支持，也为未来能源产业的绿色转型奠定了基础。随着技术的不断优化和推广，该方法有望成为地热卤水锂提取的重要手段，助力全球实现更加清洁和可持续的能源未来。