随着全球对锂等关键矿产资源需求的持续增长，传统太阳能蒸发池因蒸发速率慢、占地面积大、化学药剂依赖性强等问题，难以满足可持续发展要求。界面太阳能蒸发技术(ISE)通过将光热转换过程集中于液‑气界面，可大幅提升蒸发效率，并有望整合至现有蒸发池系统中，实现高效蒸发、矿物选择性富集与淡水回收的协同。本文从矿物回收的角度系统综述了适用于高盐卤水的耐盐蒸发器设计策略（盐回流增强、Janus 结构、定向结晶与非接触式配置），并探讨了其在提升矿物采收率、降低化学消耗与水损失方面的潜力。然而，其从实验室迈向工业应用仍面临材料稳定性、长期耐用性、技术经济可行性及环境风险等关键挑战。本文旨在为ISE技术驱动下的可持续矿物回收未来发展勾勒清晰的路线图。相关工作以Interfacial solar evaporation transforms brine mineral recovery.为题发表在Science Advances期刊。
本文综述了界面太阳能蒸发技术(ISE)变革卤水矿物回收的路径。面对传统蒸发工艺中速率慢、占地广、依赖化学药剂等问题（图1），ISE凭借其界面局域加热特性展现出高效潜力。为攻克高盐环境下盐结晶导致ISE设备性能衰减的难题，本文总结梳理了盐回流增强、Janus结构、定向结晶及非接触式配置等蒸发策略（图2）。通过将这些蒸发器集成到现有盐田中，可协同实现蒸发加速、目标矿物的选择性分离以及淡水回收（图3）。最后文章分析并展望了集成ISE的提卤技术在未来的应用前景，指出ISE实际应用仍需克服耐盐装置的可靠性、选择性结晶的调控机制、水回收效率的策略与生态风险等关键挑战（图4），为构建下一代可持续卤水采矿模式指明了交叉研究的方向。
图1全球卤水分布和基于太阳蒸发的矿物回收。(A)主要卤水资源的全球分布，突出其地理分布、盐沼规模和主要产品的特点。(B)蒸发浓缩过程的示意图。(C)演示在卤水浓缩期间逐步收集矿物的过程。(D)初始矿物分离后的最终产品精炼图示。(E)描述将原盐水转化为目标产品的代表性蒸发采矿工作流程。其中LCD指液晶显示器。
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图2.耐盐太阳能蒸发器的设计策略。(A)加强盐回流以防止盐积聚的示意图。(B)为避免盐水绝缘而设计的Janus结构图。(C)通过具体的建筑设计展示定向盐结晶。(D)非接触式设计，避免盐垢。(E)带溶液传输桥的三维蒸发器设计，可实现高效的盐回流。(F)蒸发器的设计依赖于流体流动优化，以实现高效的盐回流和热管理。(G)以睡莲为灵感的Janus蒸发器，设计用于除盐和热限制。(H)垂直的Janus结构，通过将光热层和卤水传输层放置在相对的两侧来避免盐积聚。(I)杯状太阳能蒸发器，在杯壁外循环放置盐。(J)抗盐蒸发器，设计用于自动收集盐，盐在边缘结晶。(K)锥形蒸发器，在顶端有局部结晶。(L)伞形非接触式蒸发器，专为高盐度盐水设计。
图3.将ISE与盐池运行相结合的方法。(A)卤水开采过程示意图，突出了蒸发缓慢、大量使用化学品和大量失水等挑战。(B)说明ISE技术可通过高效的阳光捕捉、环境热利用、对流气流利用、热管理和耐盐结构设计来增强蒸发。(C)蒸发池的蒸发率比较、蒸发池蒸发量的理论极限(1太阳以下)，以及利用环境热量和对流气流的串式蒸发器(在1.5m S−1风速下)(39)。小时。(D)演示可在空间上分离矿物并提高蒸发率的串式蒸发器。(E)太阳能驱动装置，用于通过选择性膜进行定向矿物提取。(F)演示通过选择性吸附捕获目标矿物。(G)通过蒸汽冷凝收集淡水的太阳能蒸馏器示意图。(H)展示通过潜热回收加强淡水生产的多级结构。(I)使用透明冷凝器、反向结构和多级结构回收水蒸气的典型太阳能蒸馏器的太阳能对水的效率比较。
图4.集成ISE技术的未来卤水池运行。(A)将ISE纳入蒸发池的设想，以加速蒸发，实现直接矿物采集，并促进选择性矿物提取和淡水采集。(B)展示对重量平衡敏感的自旋式蒸发器。(C)通过部署蒸发器实现温度梯度增强的分级降水示意图。(D)具有生物灵感的表面，具有可改变的润湿性，以增强冷凝液收集。(E)在长时间的太阳曝晒期间，成分淋失的示范。(F)推进卤水开采独立选择环境的限制、解决办法、机遇和挑战。
小结：本文为界面太阳能蒸发技术应用于卤水矿物回收领域提供了系统性路线图。文章不仅对耐盐蒸发器（如Janus结构、定向结晶）做了综述，还构建了从材料设计到系统集成的完整框架，论证了该技术通过加速蒸发、选择性分离与淡水回收协同优化传统工艺的潜力，并且分析讨论了ISE在复杂卤水环境的材料适应性、多目标协同的系统工程挑战及潜在的长期生态风险，为领域发展提供了清晰的路线指南。
论文信息：Yang K, Yang M, Chen H, et al. Interfacial solar evaporation transforms brine mineral recovery[J]. Science Advances, 2025, 11(38): eadx3242. https://doi.org/10.1126/sciadv.adx3242
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