《仿生多级太阳能蒸发器——用于空间分离与结晶协同提锂》

传统盐湖提锂工艺复杂、成本高昂，且高盐环境下高渗透压会进一步阻碍分离过程。此外，通过直接结晶获得的产品仍需通过复杂程序进行额外提纯。为应对这些挑战，本研究受柳树树干毛细传输、叶片蒸腾系统及垂柳枝条在势能作用下形成的空间分散结构启发，设计了一种太阳能驱动的多级空间分离结晶装置。该装置利用钠盐与锂盐的溶解度差异，巧妙通过溶液垂直空间势能驱动传输，通过耦合蒸发与扩散过程，使钠盐优先在蒸发器上层结晶，而锂盐在势能驱动下向下扩散并富集于底部收集板。为实现高效LiCl/NaCl分离，通过优化装置层数、层间距及光热膜直径，放大了溶解度差异带来的热力学选择性，形成“钠在上、锂在下”的分离特性。在处理15 wt%高盐溶液时，Li+/Na+比从0.5提升至16，实现了约32倍的富集效果，所得LiCl晶体纯度达92%。在优化条件下，盐结晶速率达6.4 g·m⁻²·h⁻¹。此外，我们还评估了该系统的经济性与能效。这一结果表明该策略在从盐湖卤水中制备高纯锂盐方面具有应用潜力。该研究成果以“A willow-inspired multistage solar evaporator for the synergistic integration of spatial separation and crystallization in lithium extraction from brine”为题在Chemical Engineering Journal发表。研究获得主要结论如下：

（1）成功构建太阳能驱动多级分离结晶系统，实现Li+/Na+高效分离。该系统基于蒸发-扩散竞争机制与盐类溶解度差异，通过优化结构参数，引导钠盐在上层优先结晶，锂盐在底层富集结晶，形成“钠上锂下”的分离模式。

（2）系统在最优构型下分离性能稳定，环境适应性强。实验表明，系统在连续户外运行中分离因子保持在17.8–24.6，并能有效处理复杂卤水，展现出良好的运行稳定性与实际应用潜力。

（3）具备显著节能效益与经济可行性。能量与成本分析显示，系统光热转换效率达91.5%，提锂成本较传统工艺降低约23.8%，为盐湖锂资源的可持续、低成本提取提供了有竞争力的技术路径。

图1. 柳树仿生空间分离结晶系统。(a) Li+/Na+空间分离与提锂系统设计。(b) LiCl/NaCl分层同步结晶机理示意图。

图2. 光热膜上LiCl与NaCl自中心向边缘的径向分布。(a) 光热膜测试点选取示意图。(b-d) EDS能谱分析的Na、Cl元素分布图。(e-g) 光热膜SEM图像。

图3. 蒸发器内离子分布演化的COMSOL数值模拟：(a) Na+; (b) Li+。

图4. (a) 2025年6月11日于重庆大学开展的户外实验现场照片。(b) 户外条件下的太阳辐照度与温度变化及(c) 空间分离结晶装置在连续7天实验中的LiCl/NaCl分离因子与盐结晶速率。(d) 不同溶液体系下的LiCl/NaCl分离因子。

文章链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2025.171193

作者信息：Mengling Huang, Yongkang Chen, Qiang Zeng, Yanqiong Bao, Siyao Liu, Lang Liu*