一种重力自流式梯度提锂与零液体排放装置及方法

本发明属于盐湖提锂及资源循环利用，具体涉及一种重力自流式梯度提锂与零液体排放装置及方法。

背景技术：

1、随着全球新能源产业的迅猛发展，市场对锂资源的需求呈爆发式增长；目前，盐湖卤水提锂已成为获取锂资源的重要途径。在现有的吸附法提锂工艺中，通常利用锂离子筛等吸附材料对含锂卤水进行选择性吸附，并通过解吸工序获得富锂溶液；与此同时，太阳能界面蒸发技术作为一种清洁、低碳的淡水回收与溶液浓缩手段，近年来在工业废水处理及资源回收领域展现出巨大潜力。

2、然而，现有技术在实际应用中仍面临多项严重的技术瓶颈。首先，现有吸附法提锂工艺往往涉及以水换锂的困境，其在洗脱环节消耗大量淡水，在干旱缺水的盐湖地区构成极大的水资源压力，而多级串联系统又高度依赖外部机械泵送，导致整体系统运行能耗居高不下；其次，由于吸附反应受等温线规律限制，单级或无序多级吸附在中后期普遍存在严重的动力学衰减现象，导致吸附材料难以充分利用，锂资源的提取率受到限制；更为关键的是，传统的提锂与尾液处理技术相对割裂，前端吸附提锂产生的大量贫锂母液或富锂解吸液难以进行高效、低耗的后续处理，缺乏能够将前端提锂管网与后端界面蒸发实现无缝衔接的通用型物理平台，严重制约了绿色、低碳的零液体排放目标在提锂行业的落地。

3、因此，当前亟需开发一种能够打破单级吸附动力学枷锁、利用自然势能实现自流驱动、兼容各种新型界面蒸发器，并将流体分配、梯度吸附、蒸发浓缩与淡水回收进行一体化集成的新型装置，从而真正实现绿色低碳的锂水同取与尾液资源闭环。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种重力自流式梯度提锂与零液体排放装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、本技术提供了一种重力自流式梯度提锂与零液体排放装置，包括：

4、供液单元、至少两级自上而下呈阶梯状串联布置的蒸发-提锂/解吸模块，以及分别与各级所述蒸发-提锂/解吸模块关联设置的淡水收集单元、溶液收集单元、循环输液组件和光伏供能组件；

5、每一级所述蒸发-提锂/解吸模块内集成有蒸发-提锂/解吸部、蒸发浓缩部和蒸汽冷凝回收部，且所述蒸发-提锂/解吸部的顶部设有用于透过阳光并收集冷凝液的倾斜蒸汽冷凝回收结构；

6、所述蒸发-提锂/解吸部和所述蒸发浓缩部的上方均设有支撑导流构件，所述支撑导流构件上设有用于将溶液连续输送至各工作表面的导流组件，所述导流组件的一端浸没于对应区域的液面以下；

7、所述蒸发-提锂/解吸部内设有光热蒸发组件，所述光热蒸发组件中包含有用于从待处理溶液中选择性吸附目标离子的吸附组分；

8、所述供液单元与第一级蒸发-提锂/解吸模块的所述蒸发-提锂/解吸部连通，相邻两级所述蒸发-提锂/解吸模块的各对应功能部之间分别设有主管路连通，且在所述主管路上设有级间流量控制组件；

9、最末级所述蒸发-提锂/解吸模块的所述蒸发-提锂/解吸部与所述溶液收集单元连通，各级所述蒸汽冷凝回收部与所述淡水收集单元连通；

10、所述溶液收集单元经设有所述循环输液组件的循环管路与第一级所述蒸发-提锂/解吸模块的所述蒸发浓缩部连通，构成用于对末端溶液进行循环蒸发浓缩的回路；

11、所述光伏供能组件与所述循环输液组件电连接，用于为所述循环输液组件提供驱动电能。

12、可选地，所述蒸发-提锂/解吸模块的数量为三级，依次设置为一级蒸发-提锂/解吸模块、二级蒸发-提锂/解吸模块和三级蒸发-提锂/解吸模块，且各级所述蒸发-提锂/解吸模块之间设有用于使待处理液体在重力作用下自上而下自流的高度差。

13、可选地，所述蒸发浓缩部的所述光热蒸发组件中不含有所述吸附组分，用于对吸附提锂完成后排出的贫锂母液或解吸完成后得到的富锂解吸液进行太阳能界面蒸发浓缩。

14、可选地，所述吸附组分为锰系锂离子筛、钛系锂离子筛或层状双氢氧化物类锂吸附材料中的至少一种。

15、可选地，所述吸附组分通过负载、涂覆、填充、嵌入或复合的方式固定设置于所述光热蒸发组件中。

16、可选地，所述导流组件为亲水棉、纤维束、无纺布条、纤维素导液件或亲水多孔导液件中的至少一种，用于通过毛细作用构建导流通道。

17、可选地，所述级间流量控制组件包括流量检测器和流量调节器，所述流量检测器用于实时检测对应主管路内的液体流量，所述流量调节器用于独立调节各级所述蒸发-提锂/解吸模块之间的液体流量及液体在各级模块中的停留时间。

18、可选地，所述溶液收集单元包括分别独立设置的贫锂母液池和富锂溶液池，或者为通过切换阀分时复用同一个储液池体；

19、所述贫锂母液池用于在吸附工况下收集末级排出的贫锂母液，所述富锂溶液池用于在解吸工况下收集末级排出的富锂解吸液。

20、可选地，所述光伏供能组件包括光伏面板以及储能装置或电能调节部件，且所述光伏供能组件还与流量传感器、液位传感器、温度传感器和控制器中的至少一种部件电连接，用于为监测及控制类设备提供独立运行电源。

21、一种采用如上述装置进行梯度提锂与溶液浓缩的方法，包括以下步骤：

22、将含锂卤水输送至第一级蒸发-提锂/解吸部，使所述含锂卤水在重力作用下依次流经各级蒸发-提锂/解吸部，通过各级光热蒸发组件中的吸附组分对锂离子进行选择性吸附，并将太阳能界面蒸发产生的水蒸气经倾斜蒸汽冷凝回收结构冷凝收集至淡水收集单元，将末级排出的贫锂母液收集至溶液收集单元，第一级蒸发-提锂/解吸部用于调节模块间的流量实现深度提取；

23、停止供给含锂卤水，将解吸用水输送至第一级蒸发-提锂/解吸部，使其在重力作用下依次流经各级蒸发-提锂/解吸部，使吸附组分上的锂离子释放至解吸液中，将末级排出的富锂解吸液收集至溶液收集单元；其中，所述解吸用水至少部分来源于所述淡水收集单元收集的冷凝水；

24、通过所述光伏供能组件驱动的循环输液组件，将所述贫锂母液或所述富锂解吸液泵送至第一级蒸发浓缩部，使其依次流经各级蒸发浓缩部进行循环蒸发浓缩，直至水分基本蒸出且溶解盐析出，以实现装置整体的零液体排放；其中，利用各级蒸发-提锂/解吸模块之间的高度差驱动液体的重力自流，且各级模块之间液体的重力自流体积流量与高度差满足以下关系式：

25、

26、式中，表示第级与第级蒸发-提锂/解吸模块之间主管路的液体体积流量；表示第级与第级之间管路上流量控制组件的综合节流系数；表示重力加速度常数；表示第级与第级蒸发-提锂/解吸模块之间的垂直高度差；

27、在吸附提锂过程中，各级蒸发-提锂/解吸部内的锂离子浓度沿重力自流方向逐级降低，其梯度变化满足以下递推关系式：

28、式中，表示进入第一级蒸发-提锂/解吸部的初始含锂卤水中锂离子的初始浓度；表示经过第级蒸发-提锂/解吸部处理后排出液中的锂离子残余浓度；表示第级蒸发-提锂/解吸部中吸附组分对锂离子的单级吸附率；表示装置的蒸发-提锂/解吸模块的总级数，表示各级间流通路径的序号，表示蒸发-提锂/解吸模块的序号。

29、与现有技术相比，本技术具有以下有益效果：

30、本发明提出一种重力自流式梯度提锂与零液体排放装置及方法，通过将提锂、解吸、浓缩及淡水回收集成于同一物理平台，从根本上克服了现有技术的局限。具体而言，该装置利用各级蒸发-提锂/解吸模块之间的高度差构建重力自流驱动体系，有效减少了级间机械泵送设备的使用，显著降低了外部能源消耗；通过多级阶梯串联布置，构建了锂离子浓度逐级降低而未占据吸附位点相对逐级增加的梯度吸附体系，使得下级吸附材料能够对低浓度锂离子保持良好的吸附驱动力，有效缓解了单级吸附中后期动力学衰减的问题，并提高了残余锂离子的提取率；同时，连续的液体重力流动能够持续更新吸附材料表面的液相边界层，显著减轻局部浓差极化，提升传质效率；此外，各级模块顶部倾斜透明冷凝盖板与冷凝水汇流部的设置，实现了水蒸气的原位冷凝与淡水收集，且回收淡水可直接用于后续解吸工序，极大地降低了解吸过程对外部淡水资源的依赖；该装置通过支撑导流构件与导流组件的模块化设计，能够灵活适配不同规格的光热蒸发组件，具有优良的兼容性与扩展性，同时，光伏供能组件为循环输液及监测控制部件提供绿色电能，使得整个装置能在脱离外接电网和外部热源的情况下完成全天候的梯度提锂、解吸、淡水回收和溶液浓缩，最终通过循环蒸发浓缩回路将贫锂母液或富锂解吸液浓缩至水分蒸尽、溶解盐析出，彻底实现了锂资源、水资源和盐类资源的协同回收和零液体排放。