青海盐湖镁锂资源综合利用的建议与实践

段雪¹ 林彦军^1,2  项顼¹ 王敏³ 王晓² 张萍⁴

（1. 北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室，北京100029；

2. 青海大学化工学院，西宁 810016；

3. 中国科学院青海盐湖研究所，中国科学院盐湖资源综合高效利用重点实验室，青海省盐湖资源化学重点实验室，西宁810008；

4. 格尔木藏格钾肥有限公司，格尔木 816000）

摘要：针对青海盐湖镁锂等资源高效提取和综合高值利用等盐湖产业发展的核心问题，北京化工大学段雪院士团队提出了多品种、大规模的镁资源多元化发展建议，原创了反应分离耦合生产高纯锂盐联产镁基材料的新技术，并在盐湖地区进行了中试和产业化实践，主导制定了盐湖化工大型系列研究设施平台建设工作方案，助力青海省建设世界级盐湖产业基地。

关键词：青海盐湖；综合利用；镁资源；锂资源；盐湖产业基地

中图分类号 ：F124.3  文献标识码 ：A

 文章编号 ：1005-9393(2022)03-0004-07

作者简介：段雪（1957—)，北京人，博士、教授、中国科学院院士。主要研究领域插层化学、盐湖资源利用。电子邮箱 duanx@maill.buct.edu.cn。

基金项目：青海省重点研发与转化计划“帅才科学家负责制”项目“镁基超稳矿化土壤修复材料产业化关键技术开发与示范”（2021-GX-172）；青海省重大科技专项“利用盐湖镁资源制备镁基功能材料关键技术开发与应用”(2020-GX-A1)；青海省重点研发与转化计划项目“盐湖镁资源高效高值利用—镁基超分子结构层状功能材料（LDHs）开发”（2017-GX-144）；中国科学院学部咨询评议项目“青海盐湖资源综合利用”（QT2010-08）、“能源金属资源可持续利用与我国储能技术发展策略研究”（2017HX002B-031）；国家重大科学研究“973”计划项目“纳米插层材料功能组装与盐湖镁资源有效利用”（2014CB932100）。

Suggestion and Practice on Comprehensive Utilization of Magnesium and Lithium Resources in Qinghai Salt Lakes

Xue Duan¹ Yanjun Lin^1,2 Xu Xiang¹ Min Wang³ Xiao Wang² Ping Zhang⁴

(1. State Key Laboratory of Chemical Resource Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China;

2. School of Chemical Engineering, Qinghai University, Xining 810016, China;

3. Key Laboratory of Comprehensive and Highly Efficient Utilization of Salt Lake Resources, Qinghai Key Laboratory of Resources and Chemistry of Salt Lakes, Qinghai Institute of Salt Lakes, Chinese Academy of Sciences, Xining 810008, Qinghai, China;

4. Golmud Zangge Potash Fertilizer Co.,Ltd., Golmud 816000, China)

Abstract: In view of key development issues on the efficient extraction and comprehensive high-value utilization of Mg and Li resources in Qinghai salt lake, Xue Duan, an academician of Chinese Academy of Sciences, put forward some suggestions with his group on the diversified development of Mg-based product with multiple varieties and large consumption. They also created a new reaction-coupled separation technology for the production of high-purity lithium salts with joint product of Mg-based materials. Pilot and industrial plants were built in salt lake area for the utilization practice of Mg and Li resources. The construction plan of a large series of research facilities platform for salt lake chemical industry was formulated under the lead of Xue Duan. These contributions would be helpful for the achievement of a world-class Salt Lake Industrial Base in Qinghai Province.

Key Words: Qinghai salt lake; comprehensive utilization; magnesium resource; lithium resource; salt lake industrial base

1 引言

青海盐湖资源种类丰富并储量巨大，据估算，钾、镁、锂、钠、硼等无机盐类资源储量高达3832亿吨^[1]。长期以来，青海盐湖主要以钾资源开发为主，年产量已达743万吨^[2]，是我国重要的钾肥生产基地，为我国粮食安全做出了突出贡献。锂是新能源行业发展的重要基础性资源，根据美国地质调查局（USGS）2022年数据，全球已探明锂资源量约为 8900万吨 ^[3]。2021年中国矿产资源报告显示，我国已探明锂资源量为 234.47万吨（以氧化锂计）^[4]，其中青海省为151.8万吨^[5]，占全国锂资源储量的64.7%。2021年青海盐湖生产碳酸锂5.12万吨^[2]，已成为我国新能源产业发展的重要原料基地。

在钾肥开采过程中，每生产1吨氯化钾会副产8~10吨氯化镁，多年来盐湖地区已累计排放数亿吨氯化镁，长期未得到应用，不但破坏了生态环境，还严重影响钾、锂以及稀有元素等资源的可持续开采。此外，青海盐湖镁/锂比较高，其中察尔汗盐湖镁/锂比最高达1400以上^[6]，东西台吉乃尔盐湖卤水镁/锂比也超过了40^[7]，严重影响了锂的提取效率，造成了锂资源的大量浪费。2016年8月，习近平总书记在海西州视察期间指出，要在保护生态环境的前提下，搞好盐湖资源综合利用和循环经济示范。因此，充分利用镁资源、解决高镁/锂比卤水分离等问题，已成为盐湖迫切需要解决的核心关键问题^[1,8]。

北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室段雪院士团队、多年来围绕盐湖资源利用开展了系统的基础研究和技术攻关工作。近年来，针对盐湖镁资源综合利用提出了多品种、大规模的多元化发展建议，针对高镁/锂比卤水分离和综合利用原创了反应分离耦合生产高纯锂盐联产镁基材料的新技术^[9-12]，并与西部矿业集团、格尔木藏格钾肥、盐湖股份等开展了深入合作与实践，积极促进盐湖资源综合利用。进一步，与青海大学及国内多家高校和行业专家合作，制定了《青海大学盐湖产业大型系列研究设施平台建设工作方案》，以联合国内优势科技力量，集中突破青海盐湖资源开发利用过程中的关键技术，促进产业结构优化升级和区域经济发展，贯彻创新驱动发展战略，加快建设世界级盐湖产业基地。

2 盐湖镁锂资源综合开发利用的建议与实践

2.1镁资源多元化发展建议

在青海盐湖钾、锂资源开采过程中，多年来已排放数亿吨高纯度氯化镁，长期未得到有效利用，造成了镁资源的严重浪费，同时对于盐湖资源可持续开发和生态环境造成了严重威胁。因此，充分利用镁资源，对盐湖钾、锂等战略资源持续开发利用具有战略意义，对于保持青海生态环境也有十分重要的实际意义。

2011年，受中国科学院委托，段雪院士等国内相关领域的多位专家、学者通过充分调研，编制了《青海盐湖资源综合利用》院士咨询报告，提出了“只有当盐湖镁产业在规模上发展到与盐湖钾肥等产业相匹配时，盐湖资源利用才能真正走上循环经济的发展模式”的核心观点，建议应当综合发展金属镁及镁合金、镁基耐火材料、镁基建筑材料、镁基环境材料、镁基能源材料、镁基医药材料、镁基化学品和镁基功能材料等多品种、大规模镁基产品，解决镁资源高效利用这一主要矛盾，真正实现盐湖资源综合利用和钾锂等资源可持续开发^[13]。

近年来在国家与青海省政府的大力支持下，青海盐湖镁资源的综合利用与产业化建设得到了快速发展。盐湖股份公司发展了“固体钾矿的浸泡式溶解转化技术”，将副产的高镁老卤返回采矿区用于溶解转化固体钾盐^[14]，避免了氯化镁直接排放，同时大幅增加了钾盐可采资源储量。盐湖股份公司和西部矿业集团等企业在镁合金和氢氧化镁等方面经过系统攻关，构建了相当规模的产业链，促进了镁资源利用。但目前盐湖镁产业发展的产品种类较少，带动镁资源利用量有限，与副产的镁资源数量不成比例。2020年11月，段雪院士向青海省政府提出了《关于青海盐湖镁资源多元化发展的建议》，建议在政府推动和科学引导下，设立引智计划，调动国内优势科技资源，促进技术集成，提升盐湖镁资源利用的总体技术水平；加快产学研合作，建立以企业为主体、以市场为导向、产学研相结合的技术创新体系和合作研发平台，组建技术方、生产方和用户的利益共同体，突破镁资源多元化发展核心技术，克服成果开发与转化的瓶颈；通过财政、科技、税收、信贷等多个途径，大力鼓励和支持镁资源利用相关产业，发展多品种、大规模的系列镁基产品，提高镁资源利用效率和产品附加值，逐步建成我国乃至世界上最大的镁产品研发、生产基地，打造青海镁产品制造名片。

2.2反应分离耦合生产高纯锂盐联产镁基材料新技术与中试实践

2017年段雪院士受中国科学院委托，承担了中国科学院院士咨询项目“能源金属资源可持续利用与我国储能技术发展策略研究”。2020年5月完成了咨询报告，报告明确提出了“发展能源金属资源高效提取技术、资源多元化利用和储能技术差异化发展”的核心观点，对锂等多种资源有效利用、可持续储能技术协同发展和保障我国能源金属资源战略安全提出了建议^[15]。咨询报告先后通过中科院化学部常委会结题验收和中科院咨委会审议，于2021年1月经中科院推荐上报党中央和国务院。

国外盐湖卤水镁/锂比值普遍较低，而青海盐湖的镁/锂比普遍较高，使得青海盐湖提锂基本没有可借鉴的成熟技术。其中察尔汗盐湖镁/锂比最高达1400以上，使得分离提取锂十分困难，成为锂资源利用的“瓶颈”。因此锂资源开发的关键问题是如何降低卤水中的镁/锂比，高效提取、制备高纯锂盐，同时解决镁资源的利用问题。所以，创新高效和经济的卤水镁、锂分离与提取方法，同时使镁、锂等资源得到最大化利用成为盐湖资源平衡、可持续开发的关键。

依据青海盐湖卤水化学组成特点、各组分赋存状态与化学性质，针对目前高镁卤水中提锂面临的科学与技术难题，北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室经多年研究，提出了从反应—分离耦合的新视角发展卤水镁、锂等资源分离、提取的新工艺，在资源分离的同时制备镁基插层结构功能材料（层状双金属复合氢氧化物，简称LDHs）与高值锂产品，真正实现资源的高效、平衡利用。采用该技术可使察尔汗老卤镁/锂比从311降到0.010，锂回收率超过95%；东台老卤镁/锂比可从12.67降到 0.011，锂回收率超过91%，镁完全进入固相，而锂留在液相被分离，反应—分离耦合过程可以在实现镁、锂高效分离的同时生产镁基功能材料，以及实现锂在溶液中的富集^[9]。

2017年，北京化工大学与中科院青海盐湖研究所、格尔木藏格钾肥有限公司等联合承担了青海省重点研发与转化计划项目，开展了“反应—分离耦合新工艺生产镁基功能材料联产电池级碳酸锂关键技术应用与示范”研究，并于2019年在格尔木察尔汗盐湖建成了首套百吨级中试装置（图1），打通了工艺流程，制备的 LDHs 产品 Mg/Al比例可调，产品均呈现六方片状结构，晶粒尺寸在纳米级范围，获得含锂溶液中镁/锂比可降至0.2 以下，锂回收率达到90%以上，含锂母液经膜分离、浓缩技术获得富锂溶液，制备得到了纯度99.5%以上的电池级碳酸锂和氢氧化锂产品。 

图1 百吨级反应—分离耦合生产高纯锂盐联产镁基材料中试装置

该技术同样适用于镁/锂分离同时生产大宗基本化工产品—氢氧化镁，该技术生产得到的氢氧化镁具有纳米尺寸、高纯、极少杂质的特征，适合用于高端阻燃剂、制备高纯氧化镁等大宗产品领域^[16]。

2.3镁资源高值利用与镁基插层材料产业化实践

为进一步开辟盐湖镁资源利用途径，发展多品种镁基材料，增加产品附加值，提高对镁资源的利用率，北京化工大学段雪院士团队开展了持续研究，突破了系列关键技术^[17-20]并创制了系列镁基功能材料^[21-26]。2017年在西部矿业集团合作成立了企业院士工作站，积极探索发展具有高附加值的镁基功能材料。经双方努力，于2020年联合承担了青海省重大科技专项《利用盐湖镁资源制备镁基功能材料关键技术开发与应用》，并于2021年在海西州德令哈市建成了1套2000吨/年的镁基插层结构功能材料生产装置（图2），生产的新型镁基插层结构无铅PVC热稳定剂性能达到并部分超过了国外同类进口产品水平，对于替代传统含铅等重金属的有毒热稳定剂、突破国外技术贸易壁垒等起到了积极作用。利用该生产线还可以生产镁基插层结构紫外阻隔材料，加入沥青中可以提高沥青耐紫外老化寿命3倍以上，对于延长青藏高原等高海拔强紫外光照地区沥青路面的服役寿命具有重要意义。

图2  2000吨/年镁基插层结构功能材料示范装置

针对我国亟待解决的土壤重金属污染严重问题，近年来段雪院士提出了“超稳矿化结构”新概念和原位修复新策略^[27,28]，并进一步提出利用盐湖丰富的镁资源以及大量副产的含钙蒸氨废液发展镁钙基超稳矿化土壤修复材料，开辟了盐湖镁、钙资源高值利用的新途径。在省政府关心支持下，该项目获得了青海省首个“帅才科学家负责制”项目支持，并于2021年4月与西部矿业集团合作在德令哈市建成了1套2万吨/年的镁基超稳矿化土壤修复材料示范装置（图3），生产的新型镁基材料各项指标经检测均达到预期要求。新型镁钙基超稳矿化土壤修复材料能将土壤中的Cd、Pb等重金属离子进行原位矿化，具有速度快、大容量、耐酸性、长效性和低成本等优势，能大幅降低土壤中的重金属有效态和作物中的重金属含量。该项目将有力促进我国青海盐湖废弃镁、钙资源的高值利用和盐湖资源综合利用，同时也有利于重金属污染土地的高效治理，对提高我国粮食安全、保护人民身体健康具有积极意义。

图3  2万吨/年镁基超稳矿化土壤修复材料示范装置

系列新型镁基插层材料产业化示范装置落地青海，为盐湖镁资源多元化、高值化利用提供了新途径，为盐湖资源综合利用和延长盐湖循环经济产业链提供了新思路。

2.4盐湖联合研究中心建设与技术联合攻关模式实践

青海盐湖工业股份有限公司是我国最大的钾肥生产商，在钾、锂、镁等资源储量方面均居全国首位，也是我国开发盐湖镁锂资源、建设世界级盐湖产业基地的重要领导者和先行者之一。近年来，盐湖股份针对镁、锂资源利用先后开展了以年产10万吨金属镁为核心的金属镁一体化项目和年产3万吨碳酸锂项目建设。2021年，在段雪院士建议下，盐湖股份与北京化工大学化工资源有效利用国家重点实验室联合成立了“盐湖镁锂资源综合利用联合研究中心”，致力于在盐湖镁、锂资源综合利用领域开展深度合作，促进校企协同创新及科研成果转移转化。联合研究中心采用“优势互补，课题引领”的合作模式，由盐湖股份设立技术创新基金，支持研究中心开展创新研究与技术攻关，解决其技术需求，加强技术储备。北京化工大学根据盐湖股份实际需求每年提出若干项科研项目，经过研究中心技术委员会审查筛选后给予立项支持，对于项目数量和研究经费不预设限制，做到一事一议。同时，盐湖股份的盐湖开发中试基地可作为双方合作项目试验研究及人才培养实践的基地。

目前，联合研究中心已在镁锂协同产业链、镁合金与氢能产业链、电解水提效降本产业链、水泥等过程工业碳减排和碳利用产业链建设等方面，制定了长期发展规划。2022年，针对盐湖股份迫切需要解决的六水氯化镁脱水制备无水/低水氯化镁关键难题，段雪院士团队提出了催化反应耦合脱水的变革性新思路，以替代现有高能耗、高浓度腐蚀性气体保护的氯化镁脱水过程，形成水氯镁石脱水制备无水/低水氯化镁的绿色新工艺。目前该技术已取得重要研究进展，并得到了技术创新基金的支持，为破解困扰多年的水氯镁石脱水重大难题提供了创新思路。此外，段雪院士团队的高性能层状锂吸附剂开发项目也于2022年获得技术创新基金立项支持，以进一步大幅提高盐湖股份现有装置的提锂效率。

盐湖联合研究中心的设立与建设，为校企联合解决盐湖实际问题探索了新模式，对科技成果转化和盐湖化工人才培养等将起到积极作用。

3盐湖化工大型系列研究设施平台建设方案

青海大学盐湖化工为国家重点建设学科、青海省一流建设学科，为青海经济发展和盐湖资源综合利用人才的培养做出了重要贡献。2018年8月，教育部要求青海大学对接盐湖化工地方特色产业建设，并组织清华大学、天津大学、华东理工大学、厦门大学和北京化工大学等多所高校支持青海大学盐湖化工学科发展。2019年9月，教育部组织对多所高校分别提出的建设方案进行了论证，确定由北京化工大学作为牵头单位支持青海大学建设盐湖化工大型系列研究设施平台，并明确由北京化工大学段雪院士负责。

经过国内多家高校和行业专家多次论证，制定了《青海大学部省合建盐湖化工大型系列研究设施平台建设工作方案》。方案针对目前青海盐湖资源开发过程中存在整体规划缺乏系统性、资源开发粗放、产品单一、资源浪费、技术开发投入不足等问题，提出了“需求导向、错位发展、共建共享、协同创新”的原则，聚焦制约盐湖资源综合利用的重大基础和技术瓶颈问题进行攻关，致力于破解世界级盐湖产业基地建设“卡脖子”难题，重点建设“两平台一学院两中心”，构建盐湖化工创新联合体，打造国家产教融合创新平台，培养国际一流的科技领军人才和创新团队，打好盐湖产业关键核心技术攻坚战，提高自主创新链整体效能，实现盐湖资源人才培养、产业集群和成果转化的可持续发展，为加快建设世界级盐湖产业基地与产业链纵向延伸、横向耦合提供智力和技术支持。

“两平台一学院两中心”包括盐湖资源分离提取基础研究平台、盐湖资源综合利用工程化技术平台、现代盐湖产业学院、盐湖轻金属合金材料中心、盐湖资源化学与过程工程协同创新中心等内容。方案提出要着力解决盐湖产业“卡脖子”问题，如高镁/锂比条件下锂资源提取率低，镁资源利用产品单一、附加值低，在镁和钠资源利用过程中氯平衡问题以及现有技术水平下低品位钾资源和稀有资源铷铯难以有效提取等难题，为建设世界级钾、镁、锂等产业基地提供科技基础条件支撑。同时，方案提出依据现有基础研究和工程化研究现状，建设盐湖资源综合利用工程化技术平台，主要是依托基础研究的创新成果，实现校企合作，搭建产学研协同创新平台，建设系列示范性中试共享设施，打通工艺全流程，促进科技成果转化。

此外，青海大学依托校内化工、化学、材料、机械和地质等特色优势学科，围绕盐湖产业链、技术链、创新链和人才链，以区域产业发展急需为牵引，拟在青海大学化工学院基础上联合青海盐湖工业股份有限公司、西部矿业集团有限公司等相关企业，启动现代盐湖产业学院建设工作。依托青海大学现有高性能轻金属合金及深加工国家地方联合工程研究中心，推动盐湖产业与新材料相结合，实现轻金属合金材料规模化生产；依托青海大学现有省级盐湖资源化学与过程工程协同创新中心，着力解决锂资源提取率低、镁产品单一且附加值低、氯平衡问题以及稀有资源难以有效提取等盐湖产业“卡脖子”问题，打造国家产教融合创新平台。

通过建设青海大学盐湖产业大型系列研究设施平台，对于促进青海盐湖资源开发利用过程中关键技术的突破、产业结构优化升级和区域经济发展、生态环境保护，以及保障我国能源安全的“锂资源”和粮食安全的“钾资源”的可持续利用等均具有重大意义。

4 总结

青海盐湖资源丰富，是我国钾肥生产和新能源原料的主要基地，具有重要的战略地位。由于青海盐湖独特的资源特点和开发历程，存在着镁资源利用量少、锂资源提取效率低等核心关键问题。因此推动和引导发展多品种、大规模的系列镁基产品，提高镁资源利用效率和产品附加值，有利于将青海盐湖逐步建成我国乃至世界上最大的镁产品研发和生产基地。积极探索锂资源高效提取新技术，对现有技术进行升级改造，提高锂资源回收率，设置必要的行业准入门槛，可有力保障我国新能源产业发展。此外，针对盐湖研究和产业发展现状，积极探索产学研合作新模式，建设盐湖化工创新联合体，有利于加快突破盐湖资源综合开发利用的关键技术瓶颈，实现产业结构优化升级，促进区域经济发展和生态环境保护。

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