颠覆传统制盐！中山大学王鹏教授团队研发一步蒸发法，从海水直接提取 99.36% 高纯度盐

发布人：碳中和与绿色发展研究院 发布日期：2025-09-18

      高纯度盐的高效提取是盐业生产、资源回收及特种化工领域的核心技术需求，然而传统工艺从混合盐水（如海水、盐湖卤水）中获取高纯度盐时，往往面临流程复杂、能耗高昂且环境可持续性差的瓶颈 —— 不仅需要多步预处理、分离及后纯化操作，还常依赖化学试剂或高能耗设备，难以兼顾效率与环保需求。针对这一关键科学与工程问题，由中山大学王鹏教授团队、香港理工大学张汉超教授团队主导的研究，在国际顶级期刊《Nature Water》发表了相关研究成果，提出了 “扩散驱动选择性结晶（Diffusion-driven Selective Crystallization, DiSC）” 策略，首次通过单一步骤蒸发实现了混合盐水中高纯度盐的直接制备，为该领域提供了革命性的技术方案。


      DiSC 策略的核心创新在于对离子迁移与结晶过程的精准调控，其科学逻辑突破了传统离子分离的固有范式。该策略首先通过体系设计主动抑制对流、无序毛细流动等非离子选择性转移过程 —— 这类过程是传统工艺中离子分离效率低、盐纯度不足的关键诱因，因其会导致目标离子与杂质离子无差别地迁移至结晶界面，破坏选择性分离效果。在此基础上，DiSC 策略充分利用不同离子在溶液中扩散系数的固有差异（如 Na⁺与 K⁺、Mg²⁺与 Li⁺的扩散速率差异），构建 “扩散主导” 的传质环境，使目标离子（如制备食盐所需的 Na⁺、资源回收中的 Li⁺）能够优先扩散至结晶表面，而杂质离子则因扩散速率劣势被 “滞后” 在溶液主体中，最终实现目标盐的选择性结晶，从原理上解决了传统工艺的核心痛点。

 

Fig. 3
a、b. 通过 7mm 厚陶瓷膜的氯化钡 / 氯化钾（BaCl₂/KCl，a）和氯化镁 / 氯化锂（MgCl₂/LiCl，b）盐结晶状态的 COMSOL 模拟图。图中由实线和点划线划分的四个区域代表 COMSOL 模拟的不同结晶状态：纯氯化钡或纯氯化镁、无盐结晶、混合盐结晶、纯氯化钾或纯氯化锂。插图突出显示了不同纯盐结晶区域间的边界（主图中以虚线矩形标注），其中 a 图插图对应纯氯化钡与纯氯化钾的边界，b 图插图对应纯氯化镁与纯氯化锂的边界；c、d. 使用 7mm 厚陶瓷膜，从质量比为 1:1、5:1 和 9:1 的氯化钡 / 氯化钾（c）及氯化镁 / 氯化锂（d）混合溶液中制备高纯度盐的为期 5 天连续实验测量结果（误差线代表 3 次重复实验的标准差）。氯化钡 / 氯化钾混合溶液的总浓度维持在 40 g/L，氯化镁 / 氯化锂混合溶液的总浓度维持在 80 g/L。其中，氯化钡 / 氯化钾溶液的蒸发在 25°C 下通过风力驱动，氯化镁 / 氯化锂溶液的蒸发在 40°C 下通过电加热驱动。


      为将 DiSC 策略从理论转化为实际应用，研究团队设计了一款浮式多孔膜蒸发器，该装置是策略落地的关键载体，其结构与功能高度适配扩散驱动的分离需求。蒸发器采用浮式设计，可直接漂浮于盐水表面，无需复杂的液体输送系统，简化了操作流程；核心部件为陶瓷基多孔膜，其孔隙结构能够精准控制毛细流动速率，进一步抑制对流干扰，同时为离子扩散提供定向通道，确保传质过程以扩散为主导；更重要的是，该装置无需添加化学沉淀剂、离子交换树脂等辅助试剂，也无需后续纯化步骤，可直接对接原始盐水，从根本上降低了工艺复杂度与环境负担。

Fig. 4
a. 用于从真实海水中制备纯氯化钠结晶的太阳能蒸发器示意图；b. 蒸发氯化钠 / 氯化钾（NaCl/KCl）质量比为 9:1 的模拟海水时，氯化钠纯度随聚苯乙烯（PS）泡沫厚度变化的关系（数据点代表平均值 ± 标准差，误差线代表 5 次重复实验的标准差）。柱形图对应氯化钠纯度，数据点对应蒸发速率；箭头指向对应的 y 轴，提供可视化指引；c. 1 个太阳光照强度下，用于真实海水蒸发的 7mm 厚太阳能蒸发器的蒸发速率与产盐速率。数据点分别代表蒸发速率与产盐速率；箭头指向对应的 y 轴，提供可视化指引；d. 蒸发器表面结晶盐的占比（c 和 d 中的误差线代表 3 次重复实验的标准差）。


      研究通过多组实验系统验证了 DiSC 策略的有效性、普适性及实际应用潜力。在混合离子盐水处理中，针对 Na⁺/K⁺、Ba²⁺/K⁺、Mg²⁺/Li⁺三类典型混合盐体系（模拟盐湖卤水或工业盐水），浮式多孔膜蒸发器均实现了高纯度盐的稳定产出：从 NaCl-KCl 混合盐水中选择性结晶的 NaCl 纯度超过 99.10%，Ba²⁺/K⁺体系中 BaCl₂结晶产物的杂质 K⁺含量低于 0.9%，而在 Mg²⁺/Li⁺体系中，成功从 MgCl₂-LiCl 混合液中分离出纯度超 99.10% 的 LiCl，有效解决了传统锂提取中 Mg²⁺干扰的技术难题。为进一步评估实际应用价值，研究直接以成分复杂的真实海水（含 NaCl、MgCl₂、KCl 等多种杂质）为原料，在无任何预处理与后处理的条件下，仅通过该蒸发器的一步蒸发操作，便成功制备出纯度达 99.36% 的 NaCl 晶体，纯度完全满足食品级及工业级高纯度盐的标准要求。此外，通过 COMSOL 多物理场模拟，研究量化了毛细流动控制与离子扩散对结晶过程的影响，结果显示当膜孔隙尺寸控制在特定范围（如 3 mm）时，毛细流动速率可被抑制至对流可忽略水平，此时离子迁移完全由扩散主导，与实验中 “目标盐选择性结晶” 的结果高度吻合，从理论层面证实了 DiSC 策略的机理合理性。


      该研究不仅在学术层面拓展了精准离子分离的理论框架，更在应用层面为高纯度盐生产提供了绿色高效的技术路径。在理论上，DiSC 策略突破了传统 “基于孔径筛分” 或 “基于化学吸附” 的离子分离范式，首次将 “扩散差异” 作为核心分离驱动力，为低能耗、高选择性的离子分离研究提供了新的科学视角；在工艺上，一步蒸发流程大幅缩短了生产链，据第一作者刘洋博士对海水制盐的能耗测算，相比传统工艺可降低能耗 30%-50%，且无化学试剂污染，符合 “双碳” 目标下绿色生产的需求；在应用延伸上，该策略不仅适用于盐业生产，还可拓展至盐湖锂提取、工业废水有价金属回收（如 Ba²⁺、Sr²⁺分离）等领域，为稀缺资源的高效回收提供了新工具。


      综上，这项研究通过 “原理创新 - 装置设计 - 实验验证” 的完整逻辑链，系统证实了扩散驱动选择性结晶在高纯度盐制备中的可行性与优越性，不仅为混合盐水资源的高效、可持续利用提供了关键技术支撑，也为相关领域的离子分离研究开辟了新的方向。

 

      论文链接：https://www.nature.com/articles/s44221-025-00474-z