《Resources, Conservation and Recycling》：Data-driven environmental and operational assessment of industrial lithium brine extraction
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锂需求激增背景下，本研究通过实际项目数据对比多级蒸发池与直接锂提取（DLE）的环境影响。结果显示，高质卤水蒸发池用水少但回收率低，低质卤水DLE回收率高但资源消耗大。建立卤水质量-回收率-资源消耗的系统关联框架，为可持续锂生产提供决策依据。
杨美琪|陈宏旭|杨凯杰|任志勇 Jason
普林斯顿大学土木与环境工程系，新泽西州普林斯顿，08544，美国
摘要
全球对锂的需求正在迅速增长，但工业规模提取的环境影响仍知之甚少。多级蒸发池和直接锂提取（DLE）的成本、淡水需求、化学投入和能源使用在真实操作条件下的评估很少进行，而且DLE很少作为一个完整的工业过程来研究。在这里，我们通过对全球工业锂盐项目进行全面的基于数据的评估，应用层次聚类、相关性分析和贝叶斯统计方法来比较蒸发池和DLE。我们的结果表明，盐水的化学成分在工艺可行性和环境负担方面起着决定性作用。高质量的盐水使得蒸发池能够以较低的水和能源使用量实现提取，但回收率有限；而低质量的盐水则需要DLE，尽管资源成本较高，但回收率更高。通过将杂质比例、回收效率和化学需求联系起来，本研究建立了一个系统框架，将盐水质量与环境影响联系起来，为可持续锂生产提供了指导。
引言
锂已成为清洁能源转型中的关键材料，能够制造高性能的可充电电池，为电动汽车、电网级储能系统和便携式电子设备提供动力（Frith等人，2023年）。这些领域的快速增长导致锂的需求远远超过了当前的供应预测，这对可持续能源的发展构成了严峻挑战（Desaulty等人，2022年；Pehlken等人，2017年；Greim等人，2020年）。预计到2025年，全球碳酸锂当量（LCE）的消耗量将达到140万吨，比2023年增加53%，到2030年将超过240万吨，这需要大约420亿美元的投资（国际能源署，2024年）。同时，日益增长的环境问题凸显了评估锂提取过程生态足迹的必要性，因为这些过程可能影响当地生态系统、原住民社区和全球利益相关者（国际能源署，2024年；Peiseler等人，2024年；Parker等人，2024年）。因此，全面的环境影响评估和成本分析对于确保锂资源开发符合负责任的环境管理原则至关重要。锂主要从三种类型的水资源中提取：大陆盐湖盐水、地热盐水和油田盐水。大陆盐湖盐水约占全球锂资源的60%，其中85%位于智利、阿根廷和玻利维亚（Bowell等人，2020年）。地热盐水是地热发电过程中的高温（约100°C）副产品，而油田盐水是在石油和天然气开采过程中产生的，由于其锂含量和持续可用性，它们越来越被视为有前景的替代来源（Schenker等人，2024年；Kumar等人，2019年）。
目前，工业锂生产主要采用多级蒸发池，利用太阳能依次沉淀盐分并浓缩锂。蒸发池成本低廉且操作简单，但处理时间较长（12-18个月），并且对于低品位或高杂质含量的盐水效果有限，因为它们依赖于自然蒸发和盐的溶解度差异（Quintero等人，2020年；Yang等人，2024年）。此外，它们还需要大量土地，并且通过开放式蒸发会导致大量水资源损失。为了解决这些限制，出现了直接锂提取（DLE）技术，利用溶剂萃取、吸附、离子交换、电化学方法和膜分离等技术选择性地提取锂离子（Li?）。DLE具有更快的处理速度、更高的锂回收率（>90%）和良好的选择性（例如，Li?/Mg2?>800）（Farahbakhsh等人，2024年；Kanagasundaram等人，2024年；Zhang等人，2024年；Sun等人，2021年；Peng等人，2024年）。然而，这些方法通常涉及大量的淡水和化学物质消耗，用于冲洗、pH值调整和材料再生，并且通常需要外部能源输入来驱动提取过程（Vera等人，2023年）。
尽管DLE具有很大的潜力，但大多数系统仍处于实验阶段，在工业规模上的应用仍然有限。现有的研究主要集中在提高材料的选择性上，而这些技术的经济和环境影响仍需进一步探索（表S1）（Vera等人，2023年；Mousavinezhad等人，2024年；Kelly等人，2021年；Schenker等人，2022年；Halkes等人，2024年）。早期研究评估了文献中报道的各种DLE方法的淡水使用情况，但由于数据不完整、依赖于合成盐水以及关注点局限于分离步骤而非整个提取过程，分析受到了限制（Vera等人，2023年）。为了填补这一重要的知识空白，本研究使用标准化、规范化的实际测量数据，定量比较了工业规模蒸发池和DLE操作的环境影响，包括淡水、能源和化学物质消耗。通过系统地评估影响环境负担的复杂因素，我们的工作为设计更可持续的锂提取过程提供了可行的见解，从而弥合了实验室研究和工业应用之间的差距。
数据收集与数据结构
本研究使用的数据集来自33个实际的锂矿项目，信息从它们的NI 43–101报告、SEC技术报告摘要、ASX公告、技术报告和官方网站中提取并整理。关于数据预处理和数据来源的详细信息总结在注释S1和表S2中。这是迄今为止最全面的代表实际锂项目的数据集。选择了几个关键参数进行分析，包括：
锂盐及其化学性质
图1A提供了数据集的概览，展示了收集到的关于盐湖位置、提取技术和盐类型的信息分布。该数据集包括来自六个国家的锂盐，涵盖了五种提取技术和三种主要盐类型。在这些技术中，蒸发池和吸附技术在实际应用中最为广泛，而溶剂萃取和膜萃取的规模较小。从地理上看，
结论
本研究对锂提取方法的环境影响进行了全面的定量评估，涵盖了传统的蒸发池和新兴的DLE技术。通过克服以往基于实验室到中试规模研究的局限性，本研究分析了实际锂项目的数据，揭示了资源利用、运营效率和工业项目环境可持续性之间的复杂相互作用。我们的发现
作者贡献声明
杨美琪：撰写——初稿、验证、方法论、调查、正式分析、数据管理、概念化。陈宏旭：撰写——审阅与编辑、正式分析、数据管理。杨凯杰：撰写——审阅与编辑、数据管理。任志勇 Jason：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、监督、资源协调、项目管理、方法论、调查、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。
