地?zé)嵝弯囐Y源：綠色能源的新篇章

（本文發(fā)表于2024年第3期）

> 索爾頓海地?zé)岚l(fā)電站

（圖片來源：World-Energy Media）

第一作者簡(jiǎn)介魏帥超，助理研究員，主要從事地?zé)岬刭|(zhì)、地球化學(xué)研究工作。近年來主要進(jìn)行川西富鋰地?zé)崴纬蓹C(jī)制及影響因素的研究。

當(dāng)前，隨著新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的加速推進(jìn)，低碳新能源，如電動(dòng)汽車電池、風(fēng)力渦輪機(jī)和太陽能電池板等，已迅速崛起為全球競(jìng)爭(zhēng)的核心領(lǐng)域。這些新能源的持續(xù)發(fā)展不僅是構(gòu)建以新能源為主體的新型電力系統(tǒng)的關(guān)鍵，也是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略的重要環(huán)節(jié)。在此過程中，鋰，憑借其是密度最小的堿金屬元素，又是電位最負(fù)、電化當(dāng)量最大的金屬元素，還可與中子反應(yīng)生成核聚變必要原料“氚”等諸多優(yōu)勢(shì)，在推動(dòng)能源綠色低碳轉(zhuǎn)型上發(fā)揮著舉足輕重的作用，被譽(yù)為“21世紀(jì)的能源金屬”“白色石油”。由此，全球范圍內(nèi)掀起了“鋰資源熱潮”，美國(guó)、歐盟、加拿大、澳大利亞及中國(guó)等世界主要經(jīng)濟(jì)體將其列為“關(guān)鍵礦產(chǎn)”“戰(zhàn)略性礦產(chǎn)”。隨著“雙碳”不斷推進(jìn)，全球?qū)︿嚨汝P(guān)鍵礦產(chǎn)的需求日益攀升。全球鋰產(chǎn)量在2010年—2020年期間增加了近兩倍，由2.81萬噸（金屬當(dāng)量）增加至8.25萬噸。據(jù)國(guó)際能源署在2021年發(fā)布的《清潔能源轉(zhuǎn)型的礦物需求》報(bào)告預(yù)測(cè)，至2030年全球?qū)⒚媾R約50%的鋰需求缺口。據(jù)估計(jì)，若維持現(xiàn)有開采政策，到2050年，鋰的需求量將增長(zhǎng)18~20倍；然而，倘若實(shí)施新的、更可持續(xù)的開采政策，預(yù)計(jì)到2050年，鋰需求量將增加40倍。這一趨勢(shì)不僅凸顯了鋰電池在全球能源結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型中的關(guān)鍵地位，也預(yù)示著未來鋰資源爭(zhēng)奪戰(zhàn)的激烈程度。目前，鹽湖型、硬巖型鋰礦及新類型鋰礦，如鋰云母型、黏土蒙脫石型、煤層相關(guān)型、油田鹵水型、地?zé)嵝偷榷加行碌恼业V突破，其提取技術(shù)也突飛猛進(jìn)，有的已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用，這些都將緩和供需矛盾。

鋰礦床通?？梢詣澐譃辂u水型、硬巖型和黏土型三種，三者占全球鋰資源的比例分別為64%、26%和10%。其中，鹵水型主要分布在南美洲鋰三角地區(qū)和中國(guó)青藏高原；硬巖型主要分布在澳大利亞和中國(guó)；黏土型主要分布在北美洲、歐洲和中國(guó)。目前，商業(yè)生產(chǎn)的鋰主要開采自鹵水型和硬巖型鋰礦床，如鋰輝石，其中，約62%的鋰來自鹵水型，38%來自硬巖型。位于中國(guó)青藏高原與南美洲安第斯高原上的鹽湖鹵水儲(chǔ)層，是提取鋰的主要來源。鹵水被抽至地表，注入大型蒸發(fā)池中，經(jīng)過約18個(gè)月的太陽能蒸發(fā)，鋰濃度得以提升，隨后進(jìn)行化學(xué)處理/精煉。與鹵水型相比，從硬巖型鋰資源中提取鋰的速度更快，但涉及多種濕法冶金工藝，而且傳統(tǒng)的鹽湖鹵水和含鋰硬巖開采過程中容易造成高碳排放、大量水資源消耗及土地污染問題。目前黏土型鋰資源的提鋰技術(shù)尚處于實(shí)驗(yàn)室流程試驗(yàn)或?qū)嶒?yàn)室擴(kuò)大連續(xù)試驗(yàn)階段，尚無成熟的工藝流程，這限制了其開發(fā)利用。近年來，隨著科技進(jìn)步，全球開始關(guān)注一種新型鋰資源——地?zé)嵝弯囐Y源。

01

資源“新寵” 得天獨(dú)厚

地?zé)嵝弯囐Y源獨(dú)特之處在于其深藏于地球內(nèi)部，并與地?zé)峄顒?dòng)密切相關(guān)。這些鋰資源主要在地下熱水中形成，分布于世界四大主要地?zé)釒?，即大西洋脊地?zé)釒?、紅?！獊喍场獤|非裂谷地?zé)釒Аh(huán)太平洋地?zé)釒Ш偷刂泻！柴R拉雅地?zé)釒?，與高溫地?zé)豳Y源共存。正因?yàn)檫@一特性，地?zé)嵝弯囐Y源具有全天候、可持續(xù)、低碳和環(huán)保等諸多優(yōu)勢(shì)，為鋰資源的開發(fā)和利用開辟了新途徑。

值得一提的是，南美洲的地?zé)崴嚭控S富，其含量高達(dá)54~126毫克/升，這一數(shù)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過天然水體。以太平洋海水為例，其鋰含量?jī)H為0.175毫克/升，而長(zhǎng)江中的鋰含量則微乎其微，僅為0.0006毫克/升。美國(guó)加利福尼亞州帝王谷索爾頓海KGRA（已知地?zé)釁^(qū)）是全美最大的潛在地?zé)嵝弯囐Y源區(qū)，地?zé)崴袖嚨钠骄扛哌_(dá)202毫克/升。地質(zhì)學(xué)家對(duì)歐洲與地?zé)嵯到y(tǒng)相關(guān)的地?zé)崴械匿嚌舛日{(diào)查后發(fā)現(xiàn)，182處地?zé)崴c(diǎn)中鋰含量超過15毫克/升，確定只有意大利、德國(guó)、法國(guó)和英國(guó)的6個(gè)地區(qū)的深部流體中鋰濃度能達(dá)到125~480毫克/升。我國(guó)西藏雅魯藏布江沿線的高溫地?zé)崽镆彩卿囐Y源寶庫，地質(zhì)學(xué)家在這里發(fā)現(xiàn)了15個(gè)鋰品位達(dá)到或超過工業(yè)利用標(biāo)準(zhǔn)的地?zé)崴c(diǎn)，鋰含量為20~239毫克/升，特別是莫洛江、色米、竹墨沙河和日若沸水等地，鋰含量明顯高于35毫克/升，顯示出極大的開采潛力。

為何這些地?zé)崴患囋啬兀康刭|(zhì)學(xué)家經(jīng)過深入研究發(fā)現(xiàn)了這一奧秘。以西藏富鋰地?zé)崴疄槔?，大約4500萬年前，印度板塊與歐亞板塊的劇烈碰撞不僅改變了地殼結(jié)構(gòu)，也為西藏地區(qū)富鋰地?zé)崴纬傻於嘶A(chǔ)。板塊碰撞引發(fā)的強(qiáng)烈構(gòu)造變形導(dǎo)致中—下地殼發(fā)生重熔，產(chǎn)生大量重熔巖漿。這些巖漿沿著地殼的縫合帶和張性斷裂帶上升至中地殼，甚至上地殼，形成了不同深度的局部帶狀熔融體。在重熔過程中，鋰等不相容活動(dòng)元素優(yōu)先進(jìn)入流體，并在這些熔融體中富集。隨著殼源重熔巖漿流體繼續(xù)向上運(yùn)移，它們不斷從周圍的富鋰巖石（如電氣石花崗巖）中萃取鋰元素，使得鋰含量進(jìn)一步增加；而流體中的相容元素，如一些二價(jià)堿金屬類、重金屬等隨著溫度、壓力下降而沉淀進(jìn)入固相。當(dāng)這些高度演化分異的殘余流體接近上地殼淺層時(shí)，鋰元素已經(jīng)達(dá)到極大程度富集。隨后，這些富鋰的殘余流體與通過裂縫下滲的大氣降水混合，在殼源重熔巖漿或巖漿囊的加熱作用下，形成高溫高壓地?zé)崴＿@些地?zé)崴罱K通過地殼裂縫上升至地表或近地部，形成了我們所見的富含鋰的溫泉或湖泊。這一過程不僅揭示了地?zé)崴袖囋氐膩碓?，也為我們提供了開采利用這些寶貴資源的新思路。

> 地?zé)釡厝?/p>

02

地?zé)崽徜? 備受關(guān)注

地?zé)崴徜嚰夹g(shù)作為現(xiàn)代科技在資源提取領(lǐng)域的一大突破，已逐漸成熟。這項(xiàng)技術(shù)涵蓋了濃縮—沉淀法、有機(jī)吸附劑應(yīng)用技術(shù)、無機(jī)分子篩陽離子交換吸附法、溶劑萃取法、膜分離法，以及電滲析法等多種方法。

沉淀法 這種方法通過改變地?zé)崴械幕瘜W(xué)環(huán)境，使金屬以硫化物或氫氧化物的形式沉淀出來。但這種方法并非萬能，特別是當(dāng)金屬種類較多時(shí)，沉淀物會(huì)變得異常復(fù)雜，需要進(jìn)一步處理才能分離出鋰。

吸附法 利用特異性吸附劑選擇吸附鋰，并在一定條件下洗脫，完成提鋰過程。目前常用的吸附劑主要有鋁基吸附劑、鋰離子篩（錳基、鈦基），另外還有含冠醚結(jié)構(gòu)的鋰離子印跡聚合物。然而，這些技術(shù)都面臨使用壽命和吸附性能平衡的問題。

溶劑萃取法 一種從水溶液中分離金屬的經(jīng)典方法，通過特定的萃取劑將鋰從地?zé)崴小白ァ背鰜恚哂胁僮骱?jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)。

膜分離法 利用特殊的膜材料，讓鋰離子能夠“穿”過膜而留下其他離子。然而，目前鋰選擇性膜的研發(fā)尚處于初級(jí)階段，仍需進(jìn)一步探索。不過，反滲透和納米濾膜等技術(shù)已經(jīng)在提鋰過程中發(fā)揮出重要作用，可用于預(yù)處理和濃縮含鋰鹵水。

電滲析法 一種利用電場(chǎng)幫助離子“穿”過膜的分離方法，它通過優(yōu)化電場(chǎng)和膜材料實(shí)現(xiàn)鋰的高效提取。然而，離子膜的耐久性問題仍是這項(xiàng)技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)之一。

目前，吸附法在國(guó)內(nèi)外地?zé)崴徜嚠a(chǎn)業(yè)化項(xiàng)目中已投入商用，而其他方法還處于試驗(yàn)階段，不過多種工藝的集成耦合將成為趨勢(shì)。地?zé)崴徜嚰夹g(shù)雖然取得了顯著進(jìn)步，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。

> 地?zé)猁u水提鋰技術(shù)方法

（圖片來源：Wei et al.,2020;Ighalo et al.,2022;Vera et al.,2023，有修改）

03

探索實(shí)踐 卓有成效

美國(guó)的索爾頓海和德國(guó)、法國(guó)的上萊茵河谷，是國(guó)外地?zé)崴徜図?xiàng)目的兩個(gè)主要集中地。預(yù)計(jì)在未來幾年內(nèi)，這些項(xiàng)目將陸續(xù)投產(chǎn)，為全球鋰資源市場(chǎng)注入新的活力。加州能源委員會(huì)對(duì)索爾頓海地?zé)崽镏胸S富的碳酸鋰儲(chǔ)量寄予厚望，預(yù)測(cè)其年供應(yīng)量將超過60萬噸。為了推動(dòng)從該地?zé)猁u水中直接提取鋰的經(jīng)濟(jì)可行性，加州能源委員會(huì)和美國(guó)能源部相繼投入大量資金，資助相關(guān)研發(fā)項(xiàng)目。由巴菲特創(chuàng)建的伯克希爾·哈撒韋公司也積極涉足這一領(lǐng)域，其專有的離子交換工藝已在示范工廠成功生產(chǎn)出碳酸鋰和氫氧化鋰，并計(jì)劃于2024年實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)作。Energy Source公司針對(duì)索爾頓海地?zé)猁u水，開發(fā)了一種名為“集成鋰吸附解吸”的創(chuàng)新性鋰萃取技術(shù)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該技術(shù)能夠以高達(dá)90%的回收率生產(chǎn)出純度為99.9%的高品質(zhì)鋰產(chǎn)品。德國(guó)的Vulcan Energy Resources公司和法國(guó)礦業(yè)巨頭埃赫曼公司也在上萊茵河谷深層地?zé)崴徜囶I(lǐng)域取得顯著進(jìn)展：Vulcan Energy Resources公司采用原鹵吸附技術(shù)直接從深層地?zé)猁u水中提取鋰，并將尾液回注地下，以實(shí)現(xiàn)資源的可持續(xù)利用，該項(xiàng)目規(guī)劃年產(chǎn)氫氧化鋰4萬噸，并計(jì)劃于2024年分階段投產(chǎn)；埃赫曼公司則采用直接鋰萃取工藝，并計(jì)劃于2024年第二季度開始電池級(jí)碳酸鋰的工業(yè)生產(chǎn)，預(yù)計(jì)在2025年中期產(chǎn)量達(dá)到每年2.4萬噸。

中國(guó)的地?zé)崽徜嚰夹g(shù)相較于歐美國(guó)家尚顯滯后，科學(xué)家們?yōu)榭s短差距，積極探索、更新和實(shí)踐這一技術(shù)。有學(xué)者提出了一種基于新型磷酸鐵鋰電化學(xué)技術(shù)的地?zé)崴嚮厥辗椒?，回收率高達(dá)90.65%。萬里新能公司于2023年在西藏羊易地?zé)崽飭?dòng)了地?zé)崽徜図?xiàng)目，采用吸附法+膜法耦合工藝處理地?zé)崴陨a(chǎn)電池級(jí)碳酸鋰。

04

“鋰熱復(fù)合” 一舉兩得

在環(huán)保與可持續(xù)發(fā)展的時(shí)代背景下，地?zé)崮艿睦迷谛履茉搭I(lǐng)域可謂獨(dú)樹一幟。地?zé)岚l(fā)電和地?zé)崽徜嚨穆?lián)合開發(fā)，即“鋰熱復(fù)合”開發(fā)，進(jìn)一步展現(xiàn)了這一清潔能源的巨大潛力和競(jìng)爭(zhēng)力。地?zé)岚l(fā)電，是一種利用低價(jià)熱能產(chǎn)生電力的高效環(huán)保的能源生產(chǎn)方式，在聯(lián)合開發(fā)過程中，熱電廠通過地下開采井將富鋰的深層地?zé)崴畮У降乇?，利用其中的熱能產(chǎn)生蒸氣，推動(dòng)渦輪機(jī)發(fā)電。地?zé)崽徜?，則是從地?zé)崴刑崛〕鰧氋F的鋰資源，通過專業(yè)的提鋰工廠，從富鋰地?zé)崴蟹蛛x出氯化鋰，并進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸鋰和氫氧化鋰等鋰產(chǎn)品，同時(shí)，分離鋰之后的地?zé)崴ㄟ^回灌井重新注入熱儲(chǔ)層。這種鋰熱復(fù)合開發(fā)模式過程封閉，不僅不排放任何有害物質(zhì)，而且運(yùn)行穩(wěn)定可靠，為區(qū)域供熱和電動(dòng)汽車供電提供了可持續(xù)的能源解決方案。

鋰熱復(fù)合實(shí)現(xiàn)了能源利用和資源提取的雙重效益。一方面，地?zé)岚l(fā)電為區(qū)域供熱和電動(dòng)汽車提供了清潔、可持續(xù)的能源；另一方面，地?zé)崽徜嚍樾履茉串a(chǎn)業(yè)提供了重要的原材料。這種聯(lián)合開發(fā)模式，不僅提高了地?zé)崮艿睦眯?，也促進(jìn)了資源的循環(huán)利用和可持續(xù)發(fā)展。從環(huán)保角度來看，地?zé)岚l(fā)電與地?zé)崽徜嚨穆?lián)合開發(fā)利用也具有顯著優(yōu)勢(shì)。整個(gè)過程中，碳排放量極低，對(duì)于減緩全球氣候變化、改善環(huán)境質(zhì)量具有積極作用。同時(shí)，通過科學(xué)規(guī)劃和合理利用，我們還可以避免對(duì)地下水資源的過度開采和破壞，實(shí)現(xiàn)地?zé)崮艿目沙掷m(xù)利用。隨著科技的不斷進(jìn)步和應(yīng)用的逐步深入，相信這一領(lǐng)域?qū)⒂瓉砀訌V闊的發(fā)展前景。

在全球新能源轉(zhuǎn)型和”雙碳“目標(biāo)下，地?zé)嵝弯囐Y源的開發(fā)利用將成為推動(dòng)能源結(jié)構(gòu)綠色低碳轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。這種資源不僅能穩(wěn)定供應(yīng)高質(zhì)量鋰資源，其低碳環(huán)保特性也有助于實(shí)現(xiàn)更清潔、高效的能源利用。地?zé)嵝弯囐Y源的開發(fā)能夠促進(jìn)地區(qū)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，帶動(dòng)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈，創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)。重要的是，它有助于提升國(guó)家能源安全和資源保障能力，降低對(duì)外部資源的依賴。因此，加強(qiáng)地?zé)嵝弯囐Y源的戰(zhàn)略規(guī)劃和開發(fā)，對(duì)推動(dòng)綠色能源發(fā)展、地區(qū)經(jīng)濟(jì)和國(guó)家能源安全都具有重要戰(zhàn)略意義。我們應(yīng)積極發(fā)揮科技創(chuàng)新作用，推動(dòng)地?zé)嵝弯囐Y源的開發(fā)利用。

> 鋰熱復(fù)合開發(fā)模式

（圖片來源：Geocubed，有修改）

作者： 魏帥超 原若溪 張 薇 王貴玲 劉 峰

編輯： 何陳臨秋

排版： 何陳臨秋

審核： 刁淑娟

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