用于从中等和低品质盐水中高效提取锂的最佳多级气隙膜蒸馏（AGMD）技术

《Water Research》：Optimal Multistage Air Gap Membrane Distillation (AGMD) for Enhanced Lithium Extraction from Medium- and Low-Quality Brines

多级空气间隙膜蒸馏工艺优化及经济性分析，实现低质锂卤水高效提锂。实验与数值模型验证20级串联配置最优，通量达9.1 L·m?1·h?1，回收率7.7%，比并联节能23%，较传统电渗析成本降低10-90%，总成本减少30%。

　　

李中生|杨传军|王晓雄|陈倩

清华大学深圳海洋生态先进技术重点实验室，中国深圳518055

摘要

要从主要的中低品质盐水中（Mg/Li比率=2-100）实现可持续且经济的锂提取，需要克服传统方法的高能耗问题。为此，我们专门针对高盐度含锂盐水优化了一种多级气隙膜蒸馏（AGMD）集成工艺，证明了其显著的技术经济优势。通过在不同情景下的全面分析，我们验证了该工艺的长期浓缩可行性，优化了系统设计以提高回收率和能源效率，并确立了其相对于传统技术的经济竞争力。最优的AGMD配置为20级串联结构，在单次操作下可实现平均通量9.1 L m^-1·h^-1、回收率7.7%以及特定能耗213 kWh m^-3，相比简单的并联结构分别提高了9%、8%和23%。与同等操作条件下的传统电渗析（ED）工艺相比，替代的AGMD系统在可行的能源情景（如电网、蒸汽、太阳能热能和废热）下可降低10-90%的运行成本。这一优势最终转化为锂提取总成本的最高30%降低。我们的工作为从广泛存在的中低品质盐水中可持续且经济地提取锂提供了新的方法。

概述

本研究开发了一种优化的多级气隙膜蒸馏（AGMD）工艺，证明了其在从广泛存在的中低品质盐水中提取锂方面的可行性和优越的经济潜力。

引言

锂已成为全球可再生能源转型中的关键原材料，因为它在高性能电池中起着不可或缺的作用（Parlikar等人，2023年；Yang等人，2024年）。受电池行业的推动，预计到2040年，全球锂需求将从2025年的0.15百万吨碳酸锂当量（LCE）增加八倍（Busch等人，2025年），显示出现有商业锂生产能力的巨大缺口（Sun等人，2025年；Zhai等人，2025年）。目前，世界上可开发的锂资源主要由陆地盐水和硬岩组成（约65%和35%）（Ouyang等人，2024年），由于盐水的更易获取性，它们吸引了更多的研究兴趣（Xing等人，2025年）。然而，传统的提取方法（特别是蒸发池）通常效率低下，处理时间较长，并且仅适用于高品质盐水（Mg/Li比率<5，占储量的40%）（Li等人，2024年；Pell等人，2021年）。此外，这些过程的高能耗、废水排放和碳排放引发了严重的环境问题（Vera等人，2023年）。因此，开发高效处理低品质盐水的创新提取方法对于实现可持续和环保的锂生产至关重要。

直接锂提取（DLE）技术为解决上述挑战提供了关键途径，主要方法包括吸附、电化学、溶剂萃取和膜分离（Abrishami等人，2025年；Fan等人，2024年；Zhao等人，2024年）。其中，基于膜的技术因其最广泛的应用性、最高的分离纯度和最有前景的可扩展性而尤为突出（Foo等人，2023年；Liang等人，2026年）。实际上，锂提取是一个多步骤过程（图1），通常结合了几种技术：（1）原盐水提取和预处理；（2）选择性离子分离和锂富集（例如吸附、纳滤）；（3）浓缩至沉淀阈值（TDS >20%）；（4）结晶为固体产品。作为最耗能的步骤，浓缩步骤占总成本的40%。这一步通常包括反渗透（RO）进行初步浓缩（约10%的成本），然后是电渗析（ED）进行最终浓缩（约30%）（Nayar等人，2019年）。虽然RO是浓缩中等盐度溶液的最佳技术（Sharkh等人，2022年），但ED在高盐度应用中需要大量能源输入，并且容易发生严重的膜污染（Foo等人，2024年；Zhao等人，2020年）。因此，为了进一步降低特定能耗和成本，迫切需要开发结合高性能、操作稳定性和成本竞争力的ED替代方案。

目前，膜蒸馏（MD）是处理高盐度溶液的有前景的替代方法（Li等人，2025年；Wang等人，2025年），它将热蒸馏与膜分离结合在一起。作为一种基于相变的过程，MD使用疏水膜阻止盐分通过，同时允许蒸汽穿过膜孔，从而实现进料浓缩和淡水生产（Ma等人，2026年）。与ED或其他热处理技术（作为高盐度含锂盐水的传统浓缩方法）相比，MD具有三个关键的技术经济优势：（i）能够处理接近饱和的盐水，并产生高纯度水作为有价值的副产品；（ii）低温操作，可以使用低等级的热源（例如太阳能热能、工业废热）来降低能源成本；（iii）简单的系统设计，便于集成并降低资本投入（Chen等人，2018年；Cheng等人，2025年；Li等人，2025年；Yang等人，2025年）。在各种类型的MD中，气隙膜蒸馏（AGMD）因其最小的热量损失和卓越的能源效率而受到认可，显著降低了能源输入（Pérez等人，2025年）。然而，其实际应用受到低通量（通常为3-30 LMH）和高热能耗（约300-450 kWh/m³）的限制，这些是热脱盐技术固有的局限性（Moreira等人，2024年；Deshmukh等人，2018年）。为了克服这些限制，许多研究致力于开发新型膜材料（Zhao等人，2024年）、应用辅助设备（Zhong等人，2022年）和优化系统配置（Criscuoli，2025年；Poredo?等人，2024年）。在这些策略中，配置优化是提高AGMD性能的最直接途径（Alawad等人，2023年；Hafiz Al Hariri和Khalifa，2025年；Zheng等人，2025年），因为它不受膜制造和辅助设备能力的限制。多级AGMD系统通过内部热回收过程预热进料流，实现了更高的生产率和更低的能源需求（Liu等人，2023年；Shamlou等人，2022年）。尽管多级AGMD系统作为RO后续浓缩步骤具有巨大潜力，但仍需解决几个关键挑战以推进其在锂提取中的实际应用。首先，超高浓度条件下耦合的热量、质量和盐分传递的基本机制尚未充分阐明，限制了整体热力学效率的进一步提高。其次，此类系统在坚固的连续盐水循环模式下的性能和长期操作稳定性尚未完全确定，这对于工业应用至关重要。此外，缺乏在不同设计约束（包括总流量和出口浓度）下不同配置的系统性比较，导致关于最佳系统设置的困惑。最后，量化在不同能源情景（例如废热、太阳能）下降低特定能耗与增加的资本成本之间平衡的综合经济权衡分析对于最大化经济竞争力至关重要。因此，解决这些差距对于优化多级AGMD系统并促进其广泛应用至关重要。

本研究开发并优化了一种多级AGMD工艺，以提高从中低品质盐水中提取锂的效率和成本效益。具体而言，我们首先通过实验验证了AGMD用于长期、重复浓缩低品质锂盐水的可行性，浓度可达到10%至20%。然后开发并验证了一个高精度的数值模型，以量化各种操作条件下的性能指标（例如通量、回收率和特定能耗）。通过对串联和并联配置的全面评估，我们确定了最佳设计（20级串联结构）并阐明了性能改进的潜在机制。此外，详细的技术经济分析表明，优化的AGMD工艺在浓缩步骤中相对于传统ED具有高度竞争力，特别是在成本效益和可扩展性方面。总体而言，我们的工作为多级AGMD系统的优化提供了可行的策略，并证实了其在全球锂提取应用中的巨大潜力。

实验部分

实验

实验采用了典型的气隙膜蒸馏（AGMD）系统进行测试（设备设置见支持部分S1）。膜模块包括两个流道、聚四氟乙烯（PTFE）膜、钛（Ti）支撑板和冷凝板，如图2A所示。系统采用逆流模式运行，热进料从顶部到底部流经膜，而冷进料从底部到顶部流经流道。

可行性与模型验证

为了研究AGMD在浓缩LiCl溶液方面的性能，我们在不同的操作条件下进行了测试（即温差（ΔT）、进料流速和盐浓度）。如图2C1所示，通量随温度显著增加，特别是在ΔT为55°C时（50.46 LMH），通量是25°C时的两倍（10.16 LMH）。这是因为水渗透的驱动力是膜两侧的蒸汽压差。

结论

在本研究中，我们验证并优化了一种用于长期和重复浓缩高盐度含锂盐水的膜蒸馏工艺，浓度可达10%至20%。使用自开发的数值模型（平均通量误差<0.1%），描述了多级AGMD系统的行为。在较高的温差和进料速度下，传热和传质驱动力增强，从而增加了蒸汽通量。对于实际应用模式，最佳

作者贡献

Z. S. L.和Q. C.构思了研究项目。Z. S. L.和Q. C.设计并进行了实验。Z. S. L.和C. J. Y.分析了测量结果。Z. S. L.撰写了手稿。Q. C.和X.X.W.审阅并修改了手稿。所有作者讨论了数据并对论文发表了评论。

未引用的参考文献

Li等人，2025年；Yan等人，2019年；Zhao等人，2024年

CRediT作者贡献声明

李中生：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 初稿，可视化，验证，资源，项目管理，方法论，调查，正式分析，数据管理，概念化。杨传军：正式分析，数据管理。王晓雄：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，资源，项目管理。陈倩：撰写 – 审稿与编辑，监督，软件，资源，项目管理，资金获取，概念化。

利益冲突声明

所有其他作者声明没有利益冲突。

致谢

本研究得到了（i）广东省基础与应用基础研究基金会（2023A1515240041, 2023B1515240009）、（ii）深圳市科技创新委员会（ZDSYS20230626091459009）和（3）国家自然科学基金（52406100, 52106025）的支持。