地熱型鋰資源：綠色能源的新篇章

（本文發表于2024年第3期）

> 索爾頓海地熱發電站

（圖片來源：World-Energy Media）

第一作者簡介魏帥超，助理研究員，主要從事地熱地質、地球化學研究工作。近年來主要進行川西富鋰地熱水形成機制及影響因素的研究。

當前，隨著新一輪科技革命和產業變革的加速推進，低碳新能源，如電動汽車電池、風力渦輪機和太陽能電池板等，已迅速崛起為全球競爭的核心領域。這些新能源的持續發展不僅是構建以新能源為主體的新型電力系統的關鍵，也是實現“碳達峰、碳中和”戰略的重要環節。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、電化當量最大的金屬元素，還可與中子反應生成核聚變必要原料“氚”等諸多優勢，在推動能源綠色低碳轉型上發揮著舉足輕重的作用，被譽為“21世紀的能源金屬”“白色石油”。由此，全球范圍內掀起了“鋰資源熱潮”，美國、歐盟、加拿大、澳大利亞及中國等世界主要經濟體將其列為“關鍵礦產”“戰略性礦產”。隨著“雙碳”不斷推進，全球對鋰等關鍵礦產的需求日益攀升。全球鋰產量在2010年—2020年期間增加了近兩倍，由2.81萬噸（金屬當量）增加至8.25萬噸。據國際能源署在2021年發布的《清潔能源轉型的礦物需求》報告預測，至2030年全球將面臨約50%的鋰需求缺口。據估計，若維持現有開采政策，到2050年，鋰的需求量將增長18~20倍；然而，倘若實施新的、更可持續的開采政策，預計到2050年，鋰需求量將增加40倍。這一趨勢不僅凸顯了鋰電池在全球能源結構轉型中的關鍵地位，也預示著未來鋰資源爭奪戰的激烈程度。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、煤層相關型、油田鹵水型、地熱型等都有新的找礦突破，其提取技術也突飛猛進，有的已經實際應用，這些都將緩和供需矛盾。

鋰礦床通常可以劃分為鹵水型、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和中國青藏高原；硬巖型主要分布在澳大利亞和中國；黏土型主要分布在北美洲、歐洲和中國。目前，商業生產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。位于中國青藏高原與南美洲安第斯高原上的鹽湖鹵水儲層，是提取鋰的主要來源。鹵水被抽至地表，注入大型蒸發池中，經過約18個月的太陽能蒸發，鋰濃度得以提升，隨后進行化學處理/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尚處于實驗室流程試驗或實驗室擴大連續試驗階段，尚無成熟的工藝流程，這限制了其開發利用。近年來，隨著科技進步，全球開始關注一種新型鋰資源——地熱型鋰資源。

01

資源“新寵” 得天獨厚

地熱型鋰資源獨特之處在于其深藏于地球內部，并與地熱活動密切相關。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熱帶，即大西洋脊地熱帶、紅海—亞丁灣—東非裂谷地熱帶、環太平洋地熱帶和地中海—喜馬拉雅地熱帶，與高溫地熱資源共存。正因為這一特性，地熱型鋰資源具有全天候、可持續、低碳和環保等諸多優勢，為鋰資源的開發和利用開辟了新途徑。

值得一提的是，南美洲的地熱水鋰含量豐富，其含量高達54~126毫克/升，這一數值遠遠超過天然水體。以太平洋海水為例，其鋰含量僅為0.175毫克/升，而長江中的鋰含量則微乎其微，僅為0.0006毫克/升。美國加利福尼亞州帝王谷索爾頓海KGRA（已知地熱區）是全美最大的潛在地熱型鋰資源區，地熱水中鋰的平均含量高達202毫克/升。地質學家對歐洲與地熱系統相關的地熱水中的鋰濃度調查后發現，182處地熱水點中鋰含量超過15毫克/升，確定只有意大利、德國、法國和英國的6個地區的深部流體中鋰濃度能達到125~480毫克/升。我國西藏雅魯藏布江沿線的高溫地熱田也是鋰資源寶庫，地質學家在這里發現了15個鋰品位達到或超過工業利用標準的地熱水點，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。

為何這些地熱水富集鋰元素呢？地質學家經過深入研究發現了這一奧秘。以西藏富鋰地熱水為例，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構，也為西藏地區富鋰地熱水形成奠定了基礎。板塊碰撞引發的強烈構造變形導致中—下地殼發生重熔，產生大量重熔巖漿。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，鋰等不相容活動元素優先進入流體，并在這些熔融體中富集。隨著殼源重熔巖漿流體繼續向上運移，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，使得鋰含量進一步增加；而流體中的相容元素，如一些二價堿金屬類、重金屬等隨著溫度、壓力下降而沉淀進入固相。當這些高度演化分異的殘余流體接近上地殼淺層時，鋰元素已經達到極大程度富集。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，形成高溫高壓地熱水。這些地熱水最終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熱水中鋰元素的來源，也為我們提供了開采利用這些寶貴資源的新思路。

> 地熱溫泉

02

地熱提鋰 備受關注

地熱水提鋰技術作為現代科技在資源提取領域的一大突破，已逐漸成熟。這項技術涵蓋了濃縮—沉淀法、有機吸附劑應用技術、無機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熱水中的化學環境，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，特別是當金屬種類較多時，沉淀物會變得異常復雜，需要進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），另外還有含冠醚結構的鋰離子印跡聚合物。然而，這些技術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典方法，通過特定的萃取劑將鋰從地熱水中“抓”出來，具有操作簡單、經濟性好等優點。

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尚處于初級階段，仍需進一步探索。不過，反滲透和納米濾膜等技術已經在提鋰過程中發揮出重要作用，可用于預處理和濃縮含鋰鹵水。

電滲析法 一種利用電場幫助離子“穿”過膜的分離方法，它通過優化電場和膜材料實現鋰的高效提取。然而，離子膜的耐久性問題仍是這項技術面臨的挑戰之一。

目前，吸附法在國內外地熱水提鋰產業化項目中已投入商用，而其他方法還處于試驗階段，不過多種工藝的集成耦合將成為趨勢。地熱水提鋰技術雖然取得了顯著進步，但仍面臨諸多挑戰。

> 地熱鹵水提鋰技術方法

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

03

探索實踐 卓有成效

美國的索爾頓海和德國、法國的上萊茵河谷，是國外地熱水提鋰項目的兩個主要集中地。預計在未來幾年內，這些項目將陸續投產，為全球鋰資源市場注入新的活力。加州能源委員會對索爾頓海地熱田中豐富的碳酸鋰儲量寄予厚望，預測其年供應量將超過60萬噸。為了推動從該地熱鹵水中直接提取鋰的經濟可行性，加州能源委員會和美國能源部相繼投入大量資金，資助相關研發項目。由巴菲特創建的伯克希爾·哈撒韋公司也積極涉足這一領域，其專有的離子交換工藝已在示范工廠成功生產出碳酸鋰和氫氧化鋰，并計劃于2024年實現商業化運作。Energy Source公司針對索爾頓海地熱鹵水，開發了一種名為“集成鋰吸附解吸”的創新性鋰萃取技術，實驗結果顯示，該技術能夠以高達90%的回收率生產出純度為99.9%的高品質鋰產品。德國的Vulcan Energy Resources公司和法國礦業巨頭埃赫曼公司也在上萊茵河谷深層地熱水提鋰領域取得顯著進展：Vulcan Energy Resources公司采用原鹵吸附技術直接從深層地熱鹵水中提取鋰，并將尾液回注地下，以實現資源的可持續利用，該項目規劃年產氫氧化鋰4萬噸，并計劃于2024年分階段投產；埃赫曼公司則采用直接鋰萃取工藝，并計劃于2024年第二季度開始電池級碳酸鋰的工業生產，預計在2025年中期產量達到每年2.4萬噸。

中國的地熱提鋰技術相較于歐美國家尚顯滯后，科學家們為縮短差距，積極探索、更新和實踐這一技術。有學者提出了一種基于新型磷酸鐵鋰電化學技術的地熱水鋰回收方法，回收率高達90.65%。萬里新能公司于2023年在西藏羊易地熱田啟動了地熱提鋰項目，采用吸附法+膜法耦合工藝處理地熱水，以生產電池級碳酸鋰。

04

“鋰熱復合” 一舉兩得

在環保與可持續發展的時代背景下，地熱能的利用在新能源領域可謂獨樹一幟。地熱發電和地熱提鋰的聯合開發，即“鋰熱復合”開發，進一步展現了這一清潔能源的巨大潛力和競爭力。地熱發電，是一種利用低價熱能產生電力的高效環保的能源生產方式，在聯合開發過程中，熱電廠通過地下開采井將富鋰的深層地熱水帶到地表，利用其中的熱能產生蒸氣，推動渦輪機發電。地熱提鋰，則是從地熱水中提取出寶貴的鋰資源，通過專業的提鋰工廠，從富鋰地熱水中分離出氯化鋰，并進一步轉化為碳酸鋰和氫氧化鋰等鋰產品，同時，分離鋰之后的地熱水通過回灌井重新注入熱儲層。這種鋰熱復合開發模式過程封閉，不僅不排放任何有害物質，而且運行穩定可靠，為區域供熱和電動汽車供電提供了可持續的能源解決方案。

鋰熱復合實現了能源利用和資源提取的雙重效益。一方面，地熱發電為區域供熱和電動汽車提供了清潔、可持續的能源；另一方面，地熱提鋰為新能源產業提供了重要的原材料。這種聯合開發模式，不僅提高了地熱能的利用效率，也促進了資源的循環利用和可持續發展。從環保角度來看，地熱發電與地熱提鋰的聯合開發利用也具有顯著優勢。整個過程中，碳排放量極低，對于減緩全球氣候變化、改善環境質量具有積極作用。同時，通過科學規劃和合理利用，我們還可以避免對地下水資源的過度開采和破壞，實現地熱能的可持續利用。隨著科技的不斷進步和應用的逐步深入，相信這一領域將迎來更加廣闊的發展前景。

在全球新能源轉型和”雙碳“目標下，地熱型鋰資源的開發利用將成為推動能源結構綠色低碳轉型的關鍵。這種資源不僅能穩定供應高質量鋰資源，其低碳環保特性也有助于實現更清潔、高效的能源利用。地熱型鋰資源的開發能夠促進地區經濟發展，帶動相關產業鏈，創造就業機會。重要的是，它有助于提升國家能源安全和資源保障能力，降低對外部資源的依賴。因此，加強地熱型鋰資源的戰略規劃和開發，對推動綠色能源發展、地區經濟和國家能源安全都具有重要戰略意義。我們應積極發揮科技創新作用，推動地熱型鋰資源的開發利用。

> 鋰熱復合開發模式

（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

官網： https://kpwhbjb.cgl.org.cn