《Separation and Purification Technology》：Recent advances in solar-driven interfacial evaporation for mineral resource recovery from saline water
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太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）技术通过高效转换太阳能为蒸发能，实现海水淡化与关键矿物（锂、镁、铀等）同步回收。研究提出两种互补策略：零液体排放（ZLD）系统利用Marangoni效应和空间分离结晶防止盐沉积，同时回收混合盐；选择性盐提取系统通过离子筛、选择性膜等新型功能材料实现高价值离子的精准分离。本文系统梳理SDIE系统提升效率的关键设计（吸光材料、水道、隔热层），分析ZLD和选择性提取的技术原理与进展，并探讨规模化应用的技术挑战与经济评估路径，为可持续资源管理提供理论指导。
齐张|徐杨哲|马申宇|庞怀亮|姜莫迪|常超|宋成毅|尚文|陶鹏
上海交通大学材料科学与工程学院金属基复合材料国家重点实验室，中国上海市东川路800号，200240
摘要
海水和盐湖卤水是地球上最丰富的水资源之一，同时也是锂、镁和铀等关键矿物的储存库。然而，由于离子浓度较低，使用传统方法进行高效提取面临重大挑战。最近，太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）作为一种同时生产清洁水和回收资源的方法脱颖而出，它在能量转换效率、部署便捷性和环境可持续性方面具有优势。本文系统总结了基于SDIE的矿物回收技术的最新进展，重点关注两种互补的途径：零液体排放（ZLD）脱盐和选择性盐提取。首先，我们概述了通过优化太阳能吸收器、水传输通道和热绝缘设计来提高太阳能到蒸汽能量转换效率的关键策略。接着，我们探讨了ZLD脱盐的机制和应用，包括马兰戈尼效应诱导的尖端结晶和空间分离的盐结晶。然后，我们重点介绍了利用新型功能材料（如离子筛、选择性膜和基于DNA的水凝胶）开发的选择性提取技术，以实现高价值离子的回收。最后，我们批判性地评估了实现高效、可持续和可扩展的多功能SDIE系统以从咸水中回收矿物的当前挑战和未来机遇。这项工作旨在指导和激励基于SDIE的矿物回收技术的未来创新，推动该领域向实际应用和可持续资源管理迈进。
引言
矿产资源作为工业发展的基石，对人类社会的可持续经济增长至关重要[1]、[2]。咸水（包括盐湖卤水和海水）是地球上分布最广的水资源，是天然矿产资源的重要载体[3]、[4]、[5]。咸水中含有丰富的矿产资源储备，特别是对于锂、镁和铀等新兴行业至关重要的矿物，其储量远超已确认的陆地岩石储量。因此，咸水具有巨大的潜力作为矿物资源供应的来源[6]、[7]、[8]。然而，咸水中相关离子的浓度较低，这是矿物浓缩和富集的主要障碍。迫切需要先进的脱盐技术，不仅是为了缓解干旱地区的水资源短缺，也是为了从咸水中浓缩和回收有价值的矿物。这种双重用途的方法为清洁资源开发提供了可持续的途径[9]、[10]、[11]、[12]。
自太阳能驱动的界面蒸发（SDIE）概念提出以来，由于其高能量转换效率、快速的热响应和环保性，一直受到广泛关注[13]、[14]、[15]。与传统的大规模水加热蒸发方法不同，SDIE利用光热材料将太阳能转换为热能，仅限于气液界面，从而实现高效局部蒸发[16]、[17]。通过优化太阳能吸收器、水通道和热绝缘等关键组件，可以提高SDIE系统的能量转换效率[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]。然而，运行过程中盐的积累会阻碍水传输路径并降低太阳能吸收，从而降低蒸发性能和整体效率[24]、[25]、[26]。
矛盾的是，SDIE系统中盐沉淀的挑战为从咸水中回收矿产资源提供了独特的机会。为此，研究人员开发了两种主要策略：零液体排放（ZLD）脱盐蒸发器和选择性盐提取蒸发器。具体来说，ZLD蒸发器通过巧妙的结构设计将结晶区与蒸发区空间分离，防止结垢导致的效率损失，同时实现盐颗粒和淡水的同步回收[27]、[28]、[29]。而对于特定离子的靶向回收，选择性提取蒸发器则采用了具有定制低结合能的吸附位点，利用界面蒸发的光热效应增强这些位点与目标离子之间的结合动力学，从而实现从复杂卤水中的选择性分离[30]、[31]。与传统的、高污染且能源密集型的方法（如采矿和蒸发池）相比，这些基于SDIE的回收策略提供了更清洁、更节能的替代方案，并且还能产生淡水[32]、[33]、[34]。
尽管取得了快速进展和许多创新提案，但缺乏对基础提取机制的系统性总结。本文旨在通过建立一个统一的框架来填补这一空白，将界面水状态调节与选择性离子筛选动力学联系起来。我们首次将矿产资源回收策略分为两个不同且互补的支柱：用于混合盐回收的ZLD系统和用于高价值离子提取的目标特异性蒸发器（图1）。
本文的结构如下：首先，我们总结了提高SDIE能量转换效率的三个关键方面，包括太阳能吸收器、供水和热绝缘。随后，我们讨论了以马兰戈尼效应为主导的结晶和空间分离提取设计的ZLD脱盐原理。接着，我们回顾了锂、铀和铯等战略矿物的选择性提取方面的最新进展。除了材料合成外，本文还提出了将实验室原型转化为可扩展系统的实用路线图，包括对比SDIE生产成本与传统采矿技术的全面技术经济评估，以及长期连续运行的系统故障分析。最后，我们对新兴材料和系统级工程进行了前瞻性分析，以指导未来从复杂卤水中可持续回收矿物的发展。
部分摘录
太阳能驱动的界面蒸发系统
在SDIE系统中，能量转换效率受三个关键组件的影响（图2）：（1）捕获并转换阳光为热量的太阳能吸收器；（2）持续向蒸发界面输送 feed water 以维持高蒸发速率的供水路径；（3）最小化向水体和环境的寄生热损失的隔热模块。
零液体排放（ZLD）脱盐
海水、盐湖卤水和工业废水既是SDIE系统的操作介质，也是其主要挑战[74]、[75]、[76]。随着蒸发的进行，盐离子不可避免地在蒸发界面浓缩，在吸收器表面结晶或堵塞供水通道，这会大大缩短设备寿命[77]。因此，SDIE系统必须设计成能够长期脱盐并保持抗污染性能。同时，金属阳离子
选择性盐提取
虽然ZLD脱盐能够有效地从咸水中回收大量盐分，但由于共存离子的多样性，所得沉积物通常是混合盐混合物而非单一成分产品，这大大降低了它们的直接再利用的经济价值[92]。因此，开发选择性盐提取技术已成为推进SDIE系统的关键研究重点。这些创新不仅能够结论
在本文中，我们系统地阐述了从咸水中回收矿物的SDIE系统的最新进展。通过在蒸发器水通道中实施合理的结构设计，成功实现了两种主要的ZLD盐回收策略，利用了马兰戈尼效应和空间分离的超饱和诱导结晶。对于高价值战略金属离子的回收，我们强调了新型功能材料的整合
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了中国国家重点研发计划（2022YFA1203100）、国家自然科学基金（项目编号W2431039、52302104和52471159）、教育部基础学科拔尖创新计划（JYB2025XDXM411）、上海交通大学2030计划以及“万人计划”顶尖青年人才的支持。我们还要感谢上海交通大学的志远创新研究中心（ZIRC）。
