DOI: https://doi.org/10.1007/s43979-025-00131-0
تاريخ النشر: 2025-06-04
المؤلف: Zhenyun Du وآخرون
الموضوع الرئيسي: طرق تنقية المياه بالطاقة الشمسية
نظرة عامة
لقد زاد الانتقال إلى أنظمة الطاقة منخفضة الكربون بشكل كبير من الطلب على الليثيوم، حيث تعتبر بطاريات الليثيوم أيون مركزية في هذا التحول. بينما المصادر التقليدية لليثيوم محدودة، فإن مياه البحر والمحلول الملحي القاري تقدم احتياطيات أكبر، مما يستلزم تطوير طرق استخراج نظيفة وفعالة من حيث التكلفة. يسلط هذا الاستعراض الضوء على التبخر الشمسي كطريقة واعدة لاستخراج الليثيوم، موضحًا تطورها التاريخي واتجاهات البحث الحالية.
تناقش الورقة استراتيجيات الفصل والاستخراج المختلفة التي تمكنها عملية التبخر الشمسي، مع التركيز على بلورة الأيونات أحادية التكافؤ، والفصل الغشائي للأيونات ثنائية التكافؤ، وتقنيات الامتصاص الانتقائي. يتم تحليل كل طريقة من حيث مبادئ عملها، والتطورات الحديثة، ومعايير التقييم، والتحديات. بالإضافة إلى ذلك، يقارن الاستعراض بين عمليات المعالجة المسبقة والمعالجة اللاحقة عبر هذه الطرق. يختتم المؤلفون بتقديم رؤى حول مستقبل استخراج الليثيوم المدعوم بالتبخر الشمسي، مع السعي لتحقيق تقدم يعزز تقنيات الاسترداد الأكثر نظافة وكفاءة.
مقدمة
تسلط المقدمة الضوء على الانتقال الكبير نحو إزالة الكربون والكهرباء في مشهد الطاقة العالمي، حيث تلعب بطاريات الليثيوم دورًا حاسمًا كحامل للطاقة. لقد زادت حصة بطاريات الليثيوم أيون في الاستخدام العالمي لليثيوم بشكل كبير من 43% في عام 2017 إلى حوالي 87% في عام 2024، مدفوعة بشكل أساسي بسوق السيارات الكهربائية، الذي من المتوقع أن يقلل انبعاثات الكربون بأكثر من 2 مليار طن من مكافئ ثاني أكسيد الكربون بحلول عام 2035. يبرز هذا الارتفاع في الطلب على الليثيوم، وخاصة من السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة، الحاجة إلى طرق استخراج مستدامة، حيث تتركز موارد الليثيوم الحالية في عدد قليل من الدول، لا سيما ضمن “مثلث الليثيوم” في الأرجنتين وتشيلي وبوليفيا.
تناقش الورقة الآثار البيئية لاستخراج الليثيوم، مشيرة إلى أن إنتاج الليثيوم من مصادر المحلول الملحي يولد انبعاثات كربونية أقل بكثير مقارنة بمصادر الصخور الصلبة. على الرغم من الإمكانات الكبيرة لموارد الليثيوم في مياه البحر، فإن التركيز المنخفض لليثيوم يمثل تحديات في الاستخراج. الطرق التقليدية، مثل التبخر في الهواء الطلق، تستغرق وقتًا طويلاً وتضر بالبيئة. وبالتالي، فإن الأساليب المبتكرة مثل التبخر الواجهاتي المدعوم بالطاقة الشمسية تحظى باهتمام متزايد لإمكاناتها في تعزيز استخراج الليثيوم بشكل مستدام. يهدف هذا الاستعراض إلى توحيد التقدمات الأخيرة في تقنيات استخراج الليثيوم المدعومة بالطاقة الشمسية، مع التركيز على فصل الأيونات وتقييم فعالية منهجيات مختلفة، مع معالجة الحاجة إلى مزيد من البحث في هذا المجال.
نقاش
تناقش هذه القسم التقدمات في تقنيات التبخر الشمسي الواجهاتي لاستخراج الليثيوم وعمليات البلورة، مع التركيز على الكفاءة والاستدامة للطرق المدفوعة بالطاقة الشمسية. تم اقتراح هيكل ثنائي الطبقات يجمع بين الجرافيت المفصول ورغوة الكربون من قبل تشين وآخرين في عام 2014، تم تصميمه لتحسين احتباس الطاقة الحرارية ونقل السوائل، مما يعزز بشكل كبير أداء التبخر. استكشفت الأبحاث اللاحقة مواد مختلفة، بما في ذلك الهياكل النانوية البلازمونية والهياكل المسامية القائمة على الكربون، لتحسين كفاءة أنظمة التبخر الشمسي. يسلط القسم الضوء على أهمية معالجة التحديات مثل تراكم الملح وإدارة المحلول الملحي عالي التركيز، والتي يمكن أن تؤثر سلبًا على النظم البيئية وتعيق استرداد الموارد.
تحدد الورقة عدة استراتيجيات مبتكرة لاستخراج الليثيوم، مستفيدة من الخصائص الفيزيائية والكيميائية المميزة لليثيوم والأيونات المرافقة في مياه البحر والمحاليل الملحية. يتم مناقشة تقنيات مثل الترسيب المكاني، والترشيح النانوي القائم على الأغشية، واستبعاد دونان، وامتصاص الأيونات الانتقائي، كل منها يستفيد من الاختلافات في الذوبانية والحركة بين الليثيوم والأيونات الأخرى. يظهر دمج المواد الفوتوحرارية مع الهياكل المصممة لتحسين حركية تبادل الكتلة والفصل، مما يسهل استخراج الليثيوم بشكل فعال. يختتم القسم بالإشارة إلى إمكانية تحسين هذه الطرق بشكل أكبر لتحسين الانتقائية والكفاءة في استرداد الليثيوم، لا سيما في سياق زيادة الطلب على الليثيوم في تطبيقات تخزين الطاقة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s43979-025-00131-0
Publication Date: 2025-06-04
Author(s): Zhenyun Du et al.
Primary Topic: Solar-Powered Water Purification Methods
Overview
The transition to low-carbon energy systems has significantly increased the demand for lithium, with lithium-ion batteries being central to this shift. While conventional lithium sources are limited, seawater and continental brines present larger reserves, necessitating the development of clean and cost-effective extraction methods. This review highlights solar evaporation as a promising technique for lithium extraction, detailing its historical evolution and current research trends.
The paper discusses various separation and extraction strategies enabled by solar evaporation, emphasizing the spatial separation crystallization of monovalent ions, membrane separation for divalent ions, and selective adsorption techniques. Each method is analyzed in terms of its working principles, recent advancements, evaluation metrics, and challenges. Additionally, the review contrasts pre-treatment and post-treatment processes across these methods. The authors conclude by offering insights into the future of solar evaporation-assisted lithium extraction, aiming for advancements that promote cleaner and more efficient recovery technologies.
Introduction
The introduction highlights the significant transition towards decarbonization and electrification in the global energy landscape, with lithium batteries playing a crucial role as an energy carrier. The share of lithium-ion batteries in global lithium utilization has increased dramatically from 43% in 2017 to approximately 87% in 2024, driven primarily by the electric vehicle market, which is projected to reduce carbon emissions by over 2 billion tonnes of CO₂-equivalent by 2035. This surge in demand for lithium, particularly from electric vehicles and renewable energy storage, underscores the need for sustainable extraction methods, as current lithium resources are concentrated in a few countries, notably within the “lithium triangle” of Argentina, Chile, and Bolivia.
The paper discusses the environmental implications of lithium extraction, noting that producing lithium from brine sources generates significantly lower carbon emissions compared to hard rock sources. Despite the vast potential of lithium resources in seawater, the low concentration of lithium presents extraction challenges. Traditional methods, such as open-air evaporation, are lengthy and environmentally detrimental. Consequently, innovative approaches like solar-powered interfacial evaporation are gaining attention for their potential to enhance lithium extraction sustainably. This review aims to consolidate recent advancements in solar-powered lithium extraction techniques, focusing on the separation of ions and evaluating the effectiveness of various methodologies, while also addressing the need for further research in this area.
Discussion
The section discusses advancements in interfacial solar evaporation technologies for the extraction of lithium and crystallization processes, emphasizing the efficiency and sustainability of solar-driven methods. Initially proposed by Chen et al. in 2014, a bilayer structure combining delaminated graphite and carbon foam was designed to optimize thermal energy retention and liquid transport, significantly enhancing evaporation performance. Subsequent research has explored various materials, including plasmonic nanostructures and carbon-based porous structures, to improve the efficiency of solar evaporation systems. The section highlights the importance of addressing challenges such as salt scaling and high-concentration brine management, which can adversely affect ecosystems and hinder resource recovery.
The paper outlines several innovative strategies for lithium extraction, leveraging the distinct physicochemical properties of lithium and accompanying ions in seawater and brines. Techniques such as spatial precipitation, membrane-based nanofiltration, Donnan exclusion, and selective ion adsorption are discussed, each capitalizing on the differences in solubility and mobility between lithium and other ions. The integration of photothermal materials with engineered structures is shown to enhance the kinetics of mass exchange and separation, facilitating effective lithium extraction. The section concludes by noting the potential for further optimization of these methods to improve selectivity and efficiency in lithium recovery, particularly in the context of increasing demand for lithium in energy storage applications.