盐湖联合基金实施概况与展望

赵志坚，傅杰，赵长建，张国俊

（1国家自然科学基金委员会化学科学部，北京100029；2天津大学化工学院，天津300350；3浙江大学化学工程与生物工程学院，浙江杭州310027；4青海省科学技术厅政策法规与基础研究处，青海西宁810000）

引 言

习近平总书记指出“坚持面向世界科技前沿、面向经济主战场、面向国家重大需求、面向人民生命健康，不断向科学技术广度和深度进军”,这一重要思想为新时代科学基金的发展指明了方向。当前，科学基金改革正持续发力，不断向纵深发展，国家自然科学基金委员会（以下简称“自然科学基金委”）在充分发挥基础研究引领导向作用的同时，不断强化需求导向和问题导向，着力面向国家重大需求和“卡脖子”难题做好顶层设计和统筹布局。联合基金项目作为一类国家自然科学基金委与有关部门与地方政府和企业联系的桥梁和纽带基金，在满足地方、行业的技术需求、破解“卡脖子”难题、助推产业升级等方面正发挥着重要作用。自2014年起，国家自然科学基金委员会和青海省人民政府共同设立了“柴达木盐湖化工科学研究联合基金”（以下简称“盐湖联合基金”）。旨在进一步提升盐湖化工的基础研究水平，推动关键技术突破，助力盐湖化工产业升级，实现盐湖化工产业集群发展[1]。实施7年以来，盐湖联合基金累计资助项目111项，有效地推动了我国盐湖化工基础研究的发展。

1 盐湖联合基金设立的背景

柴达木盐湖拥有丰富的镁、锂、钾、硼等矿产资源，盐湖化工产业在过去几十年已发展成为青海省的特色优势产业，但仍未完全脱离粗放式发展的模式。国家自然科学基金委员会和青海省人民政府于2014年3月12日签署《“柴达木盐湖化工科学研究联合基金”协议书》，共同设立国家自然科学基金委员会-青海省人民政府柴达木盐湖化工科学研究联合基金，结合国家战略发展需求，利用青海省盐湖科技资源集中的优势，吸引、培养和集聚一批高层次科技人才，针对柴达木盐湖资源开发和盐湖环境演化中存在的重大和关键科学问题开展基础研究，提升我国盐湖科学研究水平和产业的原始创新能力，促进我国盐湖产业的可持续发展[2]。

自2018年起，自然科学基金委与部分地方政府共同出资设立国家自然科学基金区域创新发展联合基金，强化统筹管理[3]。在第一期盐湖联合基金协议书的基础上，青海省与自然科学基金委于2019年再次签订了《青海省人民政府加入国家自然科学基金区域创新发展联合基金协议书》，加入了升级版的国家自然科学基金区域创新发展联合基金（下文统称为“盐湖联合基金”）。

2 2014—2020年盐湖联合基金的资助概况

自2014年以来,盐湖联合基金共计资助项目111项，累计直接经费11379.5万元。每年度资助情况见表1。盐湖联合基金资助20个省、自治区、直辖市的45家科研单位和高校院所。获资助项目数排名前三的单位为中国科学院青海盐湖研究所、北京化工大学和华东理工大学。表2列举了获资助部分单位及相应的总资助强度。

表1 盐湖联合基金年度资助情况汇总

表2 盐湖联合基金资助超过三项单位列表

盐湖联合基金主要资助领域有以下四个方向：（1）盐湖相平衡及其基础数据；（2）盐湖资源高效分离的新技术与新方法；（3）盐湖资源高值化利用及新材料研究；（4）盐湖资源成盐化学及水盐动态研究。资助最多的领域为（2）和（3），（1）、（4）相对较少。为了促进不同研究领域的协同发展，2017年，盐湖联合基金在（1）～（3）三个领域各资助集成项目1项，具体情况见表3。2014、2015、2020年，盐湖联合基金资助重点支持项目19项,具体情况见表4。

表3 盐湖联合基金集成项目资助列表

表4 盐湖联合基金资助重点支持项目资助列表

3 典型成果介绍

盐湖联合基金第一期资助的10项重点支持项目、89项培育项目均已顺利结题，3项集成项目正处于执行期。二期资助的9项重点支持项目也于2021年初正式启动。在盐湖联合基金资助下，我国科学家在盐湖相平衡及其基础数据、盐湖资源高效分离的新技术与新方法、盐湖资源高值化利用及新材料研究等领域取得了丰硕的成果。

3.1 柴达木盆地盐湖巨化学系统热力学模型构建及模拟预测系统集成

我国盐湖锂资源占世界盐湖锂资源的20%以上，主要分布在青海柴达木盆地。与国外盐湖特别是南美盐湖相比，我国盐湖存在镁锂比高、锂浓度低的特点。资源品质普遍偏低，亟需开发更加经济高效的盐湖资源提取技术，增强产品的国际竞争力。以盐田滩晒为代表的结晶分离技术充分利用了盐湖所在地的气候条件，实现了较为经济的溶液浓缩、资源有序析出分离，确保了盐湖产品的经济竞争力。然而，盐湖提取过程涉及上百种盐类矿物以及逾1400个子体系的巨化学系统，传统的离散实验研究难以穷尽该巨化学系统中的所有物质。盐湖卤水在结晶分离过程涉及的组分多、温度和浓度跨度大，揭示其中的相转移规律必须借助理论热力学的模拟预测。

在盐湖联合基金集成项目U1707602的资助下，中南大学曾德文、中国科学院青海盐湖研究所李武、天津科技大学周桓、华东理工大学/广西大学赵双良等研究团队正在开发针对盐湖化工相平衡和相转移的热力学模拟系统，力争实现一站式模拟预测盐湖卤水各组分在全组分、全浓度和全温度范围内相平衡和相转移的热力学规律。研究团队围绕热力学模型修正、相平衡求解算法改进以及盐湖巨化学体系相平衡多维表达三个关键科学问题，初步建成了覆盖数百个体系的多温热力学相平衡模拟预测系统，系统阐述了模型的热力学基础与系统构建框架，建立了盐湖卤水核心体系Li-Na-K-Rb-Mg-Ca-Cl-SO4-H2O、含硼酸卤水体系H3BO3-Li-Na-K-Rb-Mg-Ca-Sr-Cl-H2O、以及含盐湖微量元素十元氯化物卤水体系Li,Na,K,Rb,Cs,NH4,Mg,Ca,Sr//Cl-H2O的多温热力学模型。该盐湖巨化学模拟预测系统登记了国家计算机软件著作权，供科研人员在线免费使用（图1）。模拟系统显著提高了对盐湖卤水析盐规律的研究效率，成功揭示了铷铯资源在盐湖化工过程中的相转移规律，并基于此提出了从盐湖经济回收铷的工艺流程。

图1 盐湖巨化学系统热力学模拟预测在线系统

3.2 盐湖锂资源绿色高效利用及高纯锂盐制备的科学基础

新能源是全球“碳达峰”与“碳中和”不可替代的重要战略和途径，锂资源绿色高效开发利用及锂基础材料制备直接关系到国家能源安全与战略需求。青海盐湖锂资源与其他多种资源伴生，资源呈现高镁低锂特征，现有的锂资源开发技术基于盐湖钾资源开发后的老卤，锂利用率不足50%。在近几十年钾盐开发中，锂资源损耗超过200万吨。如何从源头提高盐湖锂资源的利用率，实现锂资源利用的清洁化和高效化，是我国盐湖锂资源开发亟待解决的科学技术问题。

在盐湖联合基金集成项目U1707601的资助下，中国科学院青海盐湖研究所李丽娟、华东理工大学孙淑英等研究团队基于青海盐湖锂资源高效清洁与高值化利用等重大需求，从分子水平阐明了盐湖锂离子、分离介质、杂质离子等多层次界面相互作用和传质过程规律，结合过程强化和数学建模，建立了高镁锂比盐湖卤水在低锂浓度下的高效分离新流程，在新型锂吸附剂设计制备、电渗析膜技术集成、萃取剂设计合成等几方面取得突破，研制了高纯锂基础材料制备技术。

有关卤水蒸发浓缩过程中锂的传质规律研究成果为五矿盐湖有限公司一里坪盐湖日晒盐田梯级分离有价元素的工艺流程提供了技术支撑，已建成了万吨级碳酸锂生产线（图2），大幅提高了锂资源综合回收率。研究团队采用箱式萃取槽，开展了不同类型含锂卤水的放大试验，为青海兴华锂业建立从高镁锂比盐湖卤水中分离提取氯化锂与硼酸联产工艺提供了技术支撑：锂总回收率≥85%，排放尾液中锂含量≤50×10-6，氯化锂产品纯度≥99.5%。实践证明，溶剂萃取技术在锂分离选择性和回收率方面显示了优异的效果。

图2 万吨级碳酸锂生产过程

3.3 盐湖镁资源的有效利用与产品工程

青海盐湖长期处于单一开采钠盐和钾肥的局面，非平衡开采所带来的问题已成为制约青海盐业的发展的瓶颈之一。钾盐生产线上每年3000余万吨副产镁盐的弃置堆积已经成为业内公认的资源和生态问题，随之而来的卤水组分赋存比例失衡的风险也在严重威胁着钾盐的开发。

在盐湖联合基金集成项目U1707603的资助下，北京化工大学宋宇飞、山西大学方莉、中山大学王维龙、中国科学院青海盐湖研究所王敏等研究团队围绕“盐湖镁资源有效利用”这一重大需求，针对基于镁基材料的结构设计与制备过程强化、界面控制和产品性能强化两类关键科学问题，以盐湖镁资源（水氯镁石）为原料，实现了镁基建筑材料包括高性能碱式硫酸镁水泥、镁盐晶须和镁基沥青的规模生产。以察尔汗盐湖工业水氯镁石为原料，制备了多温度段、成本低廉、性能优异的镁基熔盐材料，推动了盐湖镁资源的综合利用，确保了盐湖镁资源的可持续性发展。

北京化工大学、中国科学院青海盐湖研究所和格尔木藏格钾肥有限公司合作在青海开展了镁基超分子结构层状功能材料（LDHs）工程化关键技术应用与示范项目建设（图3）。基于察尔汗盐湖提钾后老卤中镁资源赋存和环境特点，根据相图原理，确定了老卤中钙、镁等离子的富集规律及析盐规律；采用盐田精控工艺技术，实现了钙、硫酸根和硼等杂质离子的合理控制，制备了高品质的盐湖水氯镁石，提高了镁资源利用率；利用已拥有的成核-晶化隔离法、自平衡高压高剪切反应釜生长技术、原子经济反应清洁生产工艺、洗涤水套用技术，制备出镁基LDHs产品，在盐湖建成镁基LDHs百吨级生产示范装置。制备的MgAl-LDHs和MgZnAl-LDHs具有优异的紫外阻隔性能，应用于抗紫外老化沥青，铺设了高速公路示范路段；研发成果建立了盐湖优势资源的高效、高值利用优化途径，推动了盐湖资源的可持续发展。2020年4月，北京化工大学与青海西部矿业集团联合成立了青海西部镁业新材料有限公司，共同利用盐湖镁资源发展镁基插层结构功能材料，合作建设1条2000吨/年的镁基插层结构功能材料生产线，现已进入设备招标阶段，计划2021年7月建成投产。

图3 镁基超分子结构功能材料制备车间实景图

4 总结与展望

盐湖联合基金以青海盐湖资源有效利用这一重大实际需求为目标，吸引了全国众多研究单位和科研人员参与，基于资源化工学科前沿发展理念解决了制约盐湖资源可持续利用的关键科学问题，促进了西部科技进步。在解决重大科学问题基础上，发展了以高水平镁锂分离和镁基产品工程等系列核心技术，破解了以往仅依靠钾肥的单一产品格局，在带动镁资源多元化发展的同时，为钾肥可持续供应保障农业安全、锂资源高效利用保障新能源安全，奠定了科学与技术基础。

尽管如此，在后续资助过程中建议加强如下几方面工作。

（1）进一步加强盐湖化工基础科学问题的凝练，聚焦资源高效利用的卡脖子问题，通过邀请盐湖化工相关企业直接参与指南建议和撰写，进一步强化指南布局的需求和问题导向。

（2）积极鼓励盐湖化工企业与高校、科研院所联合申报基金项目，充分利用化工企业工程放大的优势与高校及科研院所的基础研究平台，加强项目实施的针对性，推动基础研究成果直接服务于工程应用。

（3）邀请更多盐湖化工企业科研人员参与联合基金各类学术活动，搭建多种形式的基础研究与盐湖产业交流平台，加强成果对接，推动科研成果转化落地。

（4）以盐湖联合基金为纽带，加强青海与国内其他强势科研单位的合作，推动盐湖化工和青海省科技的快速发展。

致谢：感谢段雪、曾德文、李丽娟、宋宇飞等专家对本文撰写给予的帮助和支持。