鹽湖聯合基金實施概況與展望

趙志堅，傅杰，趙長建，張國俊

（1國家自然科學基金委員會化學科學部，北京100029；2天津大學化工學院，天津300350；3浙江大學化學工程與生物工程學院，浙江杭州310027；4青海省科學技術廳政策法規與基礎研究處，青海西寧810000）

引 言

習近平總書記指出“堅持面向世界科技前沿、面向經濟主戰場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學技術廣度和深度進軍”,這一重要思想為新時代科學基金的發展指明了方向。當前，科學基金改革正持續發力，不斷向縱深發展，國家自然科學基金委員會（以下簡稱“自然科學基金委”）在充分發揮基礎研究引領導向作用的同時，不斷強化需求導向和問題導向，著力面向國家重大需求和“卡脖子”難題做好頂層設計和統籌布局。聯合基金項目作為一類國家自然科學基金委與有關部門與地方政府和企業聯系的橋梁和紐帶基金，在滿足地方、行業的技術需求、破解“卡脖子”難題、助推產業升級等方面正發揮著重要作用。自2014年起，國家自然科學基金委員會和青海省人民政府共同設立了“柴達木鹽湖化工科學研究聯合基金”（以下簡稱“鹽湖聯合基金”）。旨在進一步提升鹽湖化工的基礎研究水平，推動關鍵技術突破，助力鹽湖化工產業升級，實現鹽湖化工產業集群發展[1]。實施7年以來，鹽湖聯合基金累計資助項目111項，有效地推動了我國鹽湖化工基礎研究的發展。

1 鹽湖聯合基金設立的背景

柴達木鹽湖擁有豐富的鎂、鋰、鉀、硼等礦產資源，鹽湖化工產業在過去幾十年已發展成為青海省的特色優勢產業，但仍未完全脫離粗放式發展的模式。國家自然科學基金委員會和青海省人民政府于2014年3月12日簽署《“柴達木鹽湖化工科學研究聯合基金”協議書》，共同設立國家自然科學基金委員會-青海省人民政府柴達木鹽湖化工科學研究聯合基金，結合國家戰略發展需求，利用青海省鹽湖科技資源集中的優勢，吸引、培養和集聚一批高層次科技人才，針對柴達木鹽湖資源開發和鹽湖環境演化中存在的重大和關鍵科學問題開展基礎研究，提升我國鹽湖科學研究水平和產業的原始創新能力，促進我國鹽湖產業的可持續發展[2]。

自2018年起，自然科學基金委與部分地方政府共同出資設立國家自然科學基金區域創新發展聯合基金，強化統籌管理[3]。在第一期鹽湖聯合基金協議書的基礎上，青海省與自然科學基金委于2019年再次簽訂了《青海省人民政府加入國家自然科學基金區域創新發展聯合基金協議書》，加入了升級版的國家自然科學基金區域創新發展聯合基金（下文統稱為“鹽湖聯合基金”）。

2 2014—2020年鹽湖聯合基金的資助概況

自2014年以來,鹽湖聯合基金共計資助項目111項，累計直接經費11379.5萬元。每年度資助情況見表1。鹽湖聯合基金資助20個省、自治區、直轄市的45家科研單位和高校院所。獲資助項目數排名前三的單位為中國科學院青海鹽湖研究所、北京化工大學和華東理工大學。表2列舉了獲資助部分單位及相應的總資助強度。

表1 鹽湖聯合基金年度資助情況匯總

表2 鹽湖聯合基金資助超過三項單位列表

鹽湖聯合基金主要資助領域有以下四個方向：（1）鹽湖相平衡及其基礎數據；（2）鹽湖資源高效分離的新技術與新方法；（3）鹽湖資源高值化利用及新材料研究；（4）鹽湖資源成鹽化學及水鹽動態研究。資助最多的領域為（2）和（3），（1）、（4）相對較少。為了促進不同研究領域的協同發展，2017年，鹽湖聯合基金在（1）～（3）三個領域各資助集成項目1項，具體情況見表3。2014、2015、2020年，鹽湖聯合基金資助重點支持項目19項,具體情況見表4。

表3 鹽湖聯合基金集成項目資助列表

表4 鹽湖聯合基金資助重點支持項目資助列表

3 典型成果介紹

鹽湖聯合基金第一期資助的10項重點支持項目、89項培育項目均已順利結題，3項集成項目正處于執行期。二期資助的9項重點支持項目也于2021年初正式啟動。在鹽湖聯合基金資助下，我國科學家在鹽湖相平衡及其基礎數據、鹽湖資源高效分離的新技術與新方法、鹽湖資源高值化利用及新材料研究等領域取得了豐碩的成果。

3.1 柴達木盆地鹽湖巨化學系統熱力學模型構建及模擬預測系統集成

我國鹽湖鋰資源占世界鹽湖鋰資源的20%以上，主要分布在青海柴達木盆地。與國外鹽湖特別是南美鹽湖相比，我國鹽湖存在鎂鋰比高、鋰濃度低的特點。資源品質普遍偏低，亟需開發更加經濟高效的鹽湖資源提取技術，增強產品的國際競爭力。以鹽田灘曬為代表的結晶分離技術充分利用了鹽湖所在地的氣候條件，實現了較為經濟的溶液濃縮、資源有序析出分離，確保了鹽湖產品的經濟競爭力。然而，鹽湖提取過程涉及上百種鹽類礦物以及逾1400個子體系的巨化學系統，傳統的離散實驗研究難以窮盡該巨化學系統中的所有物質。鹽湖鹵水在結晶分離過程涉及的組分多、溫度和濃度跨度大，揭示其中的相轉移規律必須借助理論熱力學的模擬預測。

在鹽湖聯合基金集成項目U1707602的資助下，中南大學曾德文、中國科學院青海鹽湖研究所李武、天津科技大學周桓、華東理工大學/廣西大學趙雙良等研究團隊正在開發針對鹽湖化工相平衡和相轉移的熱力學模擬系統，力爭實現一站式模擬預測鹽湖鹵水各組分在全組分、全濃度和全溫度范圍內相平衡和相轉移的熱力學規律。研究團隊圍繞熱力學模型修正、相平衡求解算法改進以及鹽湖巨化學體系相平衡多維表達三個關鍵科學問題，初步建成了覆蓋數百個體系的多溫熱力學相平衡模擬預測系統，系統闡述了模型的熱力學基礎與系統構建框架，建立了鹽湖鹵水核心體系Li-Na-K-Rb-Mg-Ca-Cl-SO4-H2O、含硼酸鹵水體系H3BO3-Li-Na-K-Rb-Mg-Ca-Sr-Cl-H2O、以及含鹽湖微量元素十元氯化物鹵水體系Li,Na,K,Rb,Cs,NH4,Mg,Ca,Sr//Cl-H2O的多溫熱力學模型。該鹽湖巨化學模擬預測系統登記了國家計算機軟件著作權，供科研人員在線免費使用（圖1）。模擬系統顯著提高了對鹽湖鹵水析鹽規律的研究效率，成功揭示了銣銫資源在鹽湖化工過程中的相轉移規律，并基于此提出了從鹽湖經濟回收銣的工藝流程。

圖1 鹽湖巨化學系統熱力學模擬預測在線系統

3.2 鹽湖鋰資源綠色高效利用及高純鋰鹽制備的科學基礎

新能源是全球“碳達峰”與“碳中和”不可替代的重要戰略和途徑，鋰資源綠色高效開發利用及鋰基礎材料制備直接關系到國家能源安全與戰略需求。青海鹽湖鋰資源與其他多種資源伴生，資源呈現高鎂低鋰特征，現有的鋰資源開發技術基于鹽湖鉀資源開發后的老鹵，鋰利用率不足50%。在近幾十年鉀鹽開發中，鋰資源損耗超過200萬噸。如何從源頭提高鹽湖鋰資源的利用率，實現鋰資源利用的清潔化和高效化，是我國鹽湖鋰資源開發亟待解決的科學技術問題。

在鹽湖聯合基金集成項目U1707601的資助下，中國科學院青海鹽湖研究所李麗娟、華東理工大學孫淑英等研究團隊基于青海鹽湖鋰資源高效清潔與高值化利用等重大需求，從分子水平闡明了鹽湖鋰離子、分離介質、雜質離子等多層次界面相互作用和傳質過程規律，結合過程強化和數學建模，建立了高鎂鋰比鹽湖鹵水在低鋰濃度下的高效分離新流程，在新型鋰吸附劑設計制備、電滲析膜技術集成、萃取劑設計合成等幾方面取得突破，研制了高純鋰基礎材料制備技術。

有關鹵水蒸發濃縮過程中鋰的傳質規律研究成果為五礦鹽湖有限公司一里坪鹽湖日曬鹽田梯級分離有價元素的工藝流程提供了技術支撐，已建成了萬噸級碳酸鋰生產線（圖2），大幅提高了鋰資源綜合回收率。研究團隊采用箱式萃取槽，開展了不同類型含鋰鹵水的放大試驗，為青海興華鋰業建立從高鎂鋰比鹽湖鹵水中分離提取氯化鋰與硼酸聯產工藝提供了技術支撐：鋰總回收率≥85%，排放尾液中鋰含量≤50×10-6，氯化鋰產品純度≥99.5%。實踐證明，溶劑萃取技術在鋰分離選擇性和回收率方面顯示了優異的效果。

圖2 萬噸級碳酸鋰生產過程

3.3 鹽湖鎂資源的有效利用與產品工程

青海鹽湖長期處于單一開采鈉鹽和鉀肥的局面，非平衡開采所帶來的問題已成為制約青海鹽業的發展的瓶頸之一。鉀鹽生產線上每年3000余萬噸副產鎂鹽的棄置堆積已經成為業內公認的資源和生態問題，隨之而來的鹵水組分賦存比例失衡的風險也在嚴重威脅著鉀鹽的開發。

在鹽湖聯合基金集成項目U1707603的資助下，北京化工大學宋宇飛、山西大學方莉、中山大學王維龍、中國科學院青海鹽湖研究所王敏等研究團隊圍繞“鹽湖鎂資源有效利用”這一重大需求，針對基于鎂基材料的結構設計與制備過程強化、界面控制和產品性能強化兩類關鍵科學問題，以鹽湖鎂資源（水氯鎂石）為原料，實現了鎂基建筑材料包括高性能堿式硫酸鎂水泥、鎂鹽晶須和鎂基瀝青的規模生產。以察爾汗鹽湖工業水氯鎂石為原料，制備了多溫度段、成本低廉、性能優異的鎂基熔鹽材料，推動了鹽湖鎂資源的綜合利用，確保了鹽湖鎂資源的可持續性發展。

北京化工大學、中國科學院青海鹽湖研究所和格爾木藏格鉀肥有限公司合作在青海開展了鎂基超分子結構層狀功能材料（LDHs）工程化關鍵技術應用與示范項目建設（圖3）。基于察爾汗鹽湖提鉀后老鹵中鎂資源賦存和環境特點，根據相圖原理，確定了老鹵中鈣、鎂等離子的富集規律及析鹽規律；采用鹽田精控工藝技術，實現了鈣、硫酸根和硼等雜質離子的合理控制，制備了高品質的鹽湖水氯鎂石，提高了鎂資源利用率；利用已擁有的成核-晶化隔離法、自平衡高壓高剪切反應釜生長技術、原子經濟反應清潔生產工藝、洗滌水套用技術，制備出鎂基LDHs產品，在鹽湖建成鎂基LDHs百噸級生產示范裝置。制備的MgAl-LDHs和MgZnAl-LDHs具有優異的紫外阻隔性能，應用于抗紫外老化瀝青，鋪設了高速公路示范路段；研發成果建立了鹽湖優勢資源的高效、高值利用優化途徑，推動了鹽湖資源的可持續發展。2020年4月，北京化工大學與青海西部礦業集團聯合成立了青海西部鎂業新材料有限公司，共同利用鹽湖鎂資源發展鎂基插層結構功能材料，合作建設1條2000噸/年的鎂基插層結構功能材料生產線，現已進入設備招標階段，計劃2021年7月建成投產。

圖3 鎂基超分子結構功能材料制備車間實景圖

4 總結與展望

鹽湖聯合基金以青海鹽湖資源有效利用這一重大實際需求為目標，吸引了全國眾多研究單位和科研人員參與，基于資源化工學科前沿發展理念解決了制約鹽湖資源可持續利用的關鍵科學問題，促進了西部科技進步。在解決重大科學問題基礎上，發展了以高水平鎂鋰分離和鎂基產品工程等系列核心技術，破解了以往僅依靠鉀肥的單一產品格局，在帶動鎂資源多元化發展的同時，為鉀肥可持續供應保障農業安全、鋰資源高效利用保障新能源安全，奠定了科學與技術基礎。

盡管如此，在后續資助過程中建議加強如下幾方面工作。

（1）進一步加強鹽湖化工基礎科學問題的凝練，聚焦資源高效利用的卡脖子問題，通過邀請鹽湖化工相關企業直接參與指南建議和撰寫，進一步強化指南布局的需求和問題導向。

（2）積極鼓勵鹽湖化工企業與高校、科研院所聯合申報基金項目，充分利用化工企業工程放大的優勢與高校及科研院所的基礎研究平臺，加強項目實施的針對性，推動基礎研究成果直接服務于工程應用。

（3）邀請更多鹽湖化工企業科研人員參與聯合基金各類學術活動，搭建多種形式的基礎研究與鹽湖產業交流平臺，加強成果對接，推動科研成果轉化落地。

（4）以鹽湖聯合基金為紐帶，加強青海與國內其他強勢科研單位的合作，推動鹽湖化工和青海省科技的快速發展。

致謝：感謝段雪、曾德文、李麗娟、宋宇飛等專家對本文撰寫給予的幫助和支持。