利用二氧化碳水合物脱盐法从矿山水中富集锂

将废水变为电池金属来源

随着全球加速生产电动汽车和储存可再生能源，对锂——大多数可充电电池的关键成分——的需求激增。与此同时，世界各地的矿山会产生大量含盐废水，处理成本高且可能危及附近河流和湖泊。本研究探讨了一种能够同时应对这两类问题的方法：利用一种类似冻结的气体驱动过程清洁矿山水，同时将其中微量的锂浓缩成更易回收的形态。

一种新的清洁与浓缩途径

研究人员并未依赖传统的过滤器或膜，而是转向了一种非同寻常的现象：气体水合物。这些是当气体分子（此处为二氧化碳）在较低温度与高压条件下被困在由水分子构成的笼状结构中时形成的类冰晶体。当水合物从含盐水中生成时，成长的晶体主要由纯水构成，溶解的盐和金属倾向于留在剩余液体中。通过形成然后熔化这些晶体，可以得到更洁净的水和更富集有价元素（例如锂）的残余盐水。研究团队设计了一个加压、搅拌的反应器，用真实的加拿大矿山水对这一方法进行了测试。

水中已有的隐形助力

利用水合物进行处理的主要障碍之一是其通常生成缓慢，使过程效率低下。工程上通常会添加特殊化学品或颗粒来加速，但这些添加剂随后又需要被去除。在这项工作中，作者发现矿山水本身提供了所需的助力。它天然含有微小的矿物颗粒，主要为硅酸盐和铝硅酸盐颗粒，如晶质二氧化硅（cristobalite）和钠长石（albite），浓度只有约15毫克每升。精细的显微与化学分析显示这些颗粒带有适度的负表面电荷并保持良好分散。在过滤掉部分原生颗粒的实验中，水合物晶体出现所需时间明显延长。而当所有原有颗粒保留时，水合物在几分钟内形成，表明这些矿物作为内置的“核”帮助晶体在无需额外促剂的情况下开始生长。

调控运动与时间以提升表现

团队进一步探索了搅拌速度和反应时间如何影响水的净化与锂的富集。更快的搅拌将二氧化碳分解成更细的小气泡，并更充分地与水混合。将转速从200提高到600转每分钟，使水合物形成的等待时间从约八分钟几乎降为零，并将进入水合物的水分比例从29%提高到53%。同时，残余盐水中的锂浓度约为原始矿山水的1.6倍。将反应时间从30分钟延长到60分钟，进一步改善了水回收率和锂富集度。然而超过一小时后，收益消失：晶体变得僵硬且更难与盐水分离，延长操作所带来的好处被实际处理问题所抵消。

串联多级以获得更高富集

为评估该方法的极限，研究者将若干处理阶段串联起来。每一级将上一级产生的水合物产水或富集盐水作为原料，在相同的水合物形成条件下再次处理。经过三级后，盐水中的锂浓度从起始矿山水的约180毫克每升上升到约500毫克每升——足以适用于工业上常见的化学回收方法。与此同时，类冰的水合物产物流也变得愈发洁净，处理后水的总体盐含量相较原始进料下降约80%。这表明，经过进一步优化，该工艺有望既为采矿作业提供可再利用的水，又产生可用于提取的高锂流。

对矿山与电池的重要意义

简单来说，这项工作表明常被视为废弃问题的矿山水，如果经过智能处理，也可作为低品位锂资源。利用二氧化碳形成与熔化类冰晶体，该过程在无需昂贵、易堵塞的膜或额外化学添加剂的情况下，实现了锂的浓缩与水的净化。水中天然存在的矿尘在动力学上完成了大部分“繁重工作”，作为微小支架加速晶体形成。尽管在放大规模与降低能耗方面仍面临挑战，研究指向了一个可能的未来：矿区在回收宝贵电池金属的同时回收用水，从而推动更可持续的资源与水管理。

引用: Khajvand, M., Kolliopoulos, G. Lithium enrichment from mine waters using CO₂ hydrate-based desalination. Sci Rep 16, 13871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43925-7

关键词: 锂回收, 矿山废水, 气体水合物, 脱盐, 电池材料