鹽湖聯(lián)合基金實(shí)施概況與展望

趙志堅(jiān)，傅杰，趙長建，張國俊

（1國家自然科學(xué)基金委員會化學(xué)科學(xué)部，北京100029；2天津大學(xué)化工學(xué)院，天津300350；3浙江大學(xué)化學(xué)工程與生物工程學(xué)院，浙江杭州310027；4青海省科學(xué)技術(shù)廳政策法規(guī)與基礎(chǔ)研究處，青海西寧810000）

引 言

習(xí)近平總書記指出“堅(jiān)持面向世界科技前沿、面向經(jīng)濟(jì)主戰(zhàn)場、面向國家重大需求、面向人民生命健康，不斷向科學(xué)技術(shù)廣度和深度進(jìn)軍”,這一重要思想為新時(shí)代科學(xué)基金的發(fā)展指明了方向。當(dāng)前，科學(xué)基金改革正持續(xù)發(fā)力，不斷向縱深發(fā)展，國家自然科學(xué)基金委員會（以下簡稱“自然科學(xué)基金委”）在充分發(fā)揮基礎(chǔ)研究引領(lǐng)導(dǎo)向作用的同時(shí)，不斷強(qiáng)化需求導(dǎo)向和問題導(dǎo)向，著力面向國家重大需求和“卡脖子”難題做好頂層設(shè)計(jì)和統(tǒng)籌布局。聯(lián)合基金項(xiàng)目作為一類國家自然科學(xué)基金委與有關(guān)部門與地方政府和企業(yè)聯(lián)系的橋梁和紐帶基金，在滿足地方、行業(yè)的技術(shù)需求、破解“卡脖子”難題、助推產(chǎn)業(yè)升級等方面正發(fā)揮著重要作用。自2014年起，國家自然科學(xué)基金委員會和青海省人民政府共同設(shè)立了“柴達(dá)木鹽湖化工科學(xué)研究聯(lián)合基金”（以下簡稱“鹽湖聯(lián)合基金”）。旨在進(jìn)一步提升鹽湖化工的基礎(chǔ)研究水平，推動(dòng)關(guān)鍵技術(shù)突破，助力鹽湖化工產(chǎn)業(yè)升級，實(shí)現(xiàn)鹽湖化工產(chǎn)業(yè)集群發(fā)展[1]。實(shí)施7年以來，鹽湖聯(lián)合基金累計(jì)資助項(xiàng)目111項(xiàng)，有效地推動(dòng)了我國鹽湖化工基礎(chǔ)研究的發(fā)展。

1 鹽湖聯(lián)合基金設(shè)立的背景

柴達(dá)木鹽湖擁有豐富的鎂、鋰、鉀、硼等礦產(chǎn)資源，鹽湖化工產(chǎn)業(yè)在過去幾十年已發(fā)展成為青海省的特色優(yōu)勢產(chǎn)業(yè)，但仍未完全脫離粗放式發(fā)展的模式。國家自然科學(xué)基金委員會和青海省人民政府于2014年3月12日簽署《“柴達(dá)木鹽湖化工科學(xué)研究聯(lián)合基金”協(xié)議書》，共同設(shè)立國家自然科學(xué)基金委員會-青海省人民政府柴達(dá)木鹽湖化工科學(xué)研究聯(lián)合基金，結(jié)合國家戰(zhàn)略發(fā)展需求，利用青海省鹽湖科技資源集中的優(yōu)勢，吸引、培養(yǎng)和集聚一批高層次科技人才，針對柴達(dá)木鹽湖資源開發(fā)和鹽湖環(huán)境演化中存在的重大和關(guān)鍵科學(xué)問題開展基礎(chǔ)研究，提升我國鹽湖科學(xué)研究水平和產(chǎn)業(yè)的原始創(chuàng)新能力，促進(jìn)我國鹽湖產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展[2]。

自2018年起，自然科學(xué)基金委與部分地方政府共同出資設(shè)立國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金，強(qiáng)化統(tǒng)籌管理[3]。在第一期鹽湖聯(lián)合基金協(xié)議書的基礎(chǔ)上，青海省與自然科學(xué)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(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金協(xié)議書》，加入了升級版的國家自然科學(xué)基金區(qū)域創(chuàng)新發(fā)展聯(lián)合基金（下文統(tǒng)稱為“鹽湖聯(lián)合基金”）。

2 2014—2020年鹽湖聯(lián)合基金的資助概況

自2014年以來,鹽湖聯(lián)合基金共計(jì)資助項(xiàng)目111項(xiàng)，累計(jì)直接經(jīng)費(fèi)11379.5萬元。每年度資助情況見表1。鹽湖聯(lián)合基金資助20個(gè)省、自治區(qū)、直轄市的45家科研單位和高校院所。獲資助項(xiàng)目數(shù)排名前三的單位為中國科學(xué)院青海鹽湖研究所、北京化工大學(xué)和華東理工大學(xué)。表2列舉了獲資助部分單位及相應(yīng)的總資助強(qiáng)度。

表1 鹽湖聯(lián)合基金年度資助情況匯總

表2 鹽湖聯(lián)合基金資助超過三項(xiàng)單位列表

鹽湖聯(lián)合基金主要資助領(lǐng)域有以下四個(gè)方向：（1）鹽湖相平衡及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)；（2）鹽湖資源高效分離的新技術(shù)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(xué)及水鹽動(dòng)態(tài)研究。資助最多的領(lǐng)域?yàn)椋?）和（3），（1）、（4）相對較少。為了促進(jìn)不同研究領(lǐng)域的協(xié)同發(fā)展，2017年，鹽湖聯(lián)合基金在（1）～（3）三個(gè)領(lǐng)域各資助集成項(xiàng)目1項(xiàng)，具體情況見表3。2014、2015、2020年，鹽湖聯(lián)合基金資助重點(diǎn)支持項(xiàng)目19項(xiàng),具體情況見表4。

表3 鹽湖聯(lián)合基金集成項(xiàng)目資助列表

表4 鹽湖聯(lián)合基金資助重點(diǎn)支持項(xiàng)目資助列表

3 典型成果介紹

鹽湖聯(lián)合基金第一期資助的10項(xiàng)重點(diǎn)支持項(xiàng)目、89項(xiàng)培育項(xiàng)目均已順利結(jié)題，3項(xiàng)集成項(xiàng)目正處于執(zhí)行期。二期資助的9項(xiàng)重點(diǎn)支持項(xiàng)目也于2021年初正式啟動(dòng)。在鹽湖聯(lián)合基金資助下，我國科學(xué)家在鹽湖相平衡及其基礎(chǔ)數(shù)據(jù)、鹽湖資源高效分離的新技術(shù)與新方法、鹽湖資源高值化利用及新材料研究等領(lǐng)域取得了豐碩的成果。

3.1 柴達(dá)木盆地鹽湖巨化學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)模型構(gòu)建及模擬預(yù)測系統(tǒng)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(dá)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(diǎn)。資源品質(zhì)普遍偏低，亟需開發(fā)更加經(jīng)濟(jì)高效的鹽湖資源提取技術(shù)，增強(qiáng)產(chǎn)品的國際競爭力。以鹽田灘曬為代表的結(jié)晶分離技術(shù)充分利用了鹽湖所在地的氣候條件，實(shí)現(xiàn)了較為經(jīng)濟(jì)的溶液濃縮、資源有序析出分離，確保了鹽湖產(chǎn)品的經(jīng)濟(jì)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(gè)子體系的巨化學(xué)系統(tǒng)，傳統(tǒng)的離散實(shí)驗(yàn)研究難以窮盡該巨化學(xué)系統(tǒng)中的所有物質(zhì)。鹽湖鹵水在結(jié)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(zhuǎn)移規(guī)律必須借助理論熱力學(xué)的模擬預(yù)測。

在鹽湖聯(lián)合基金集成項(xiàng)目U1707602的資助下，中南大學(xué)曾德文、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所李武、天津科技大學(xué)周桓、華東理工大學(xué)/廣西大學(xué)趙雙良等研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)針對鹽湖化工相平衡和相轉(zhuǎn)移的熱力學(xué)模擬系統(tǒng)，力爭實(shí)現(xiàn)一站式模擬預(yù)測鹽湖鹵水各組分在全組分、全濃度和全溫度范圍內(nèi)相平衡和相轉(zhuǎn)移的熱力學(xué)規(guī)律。研究團(tuán)隊(duì)圍繞熱力學(xué)模型修正、相平衡求解算法改進(jìn)以及鹽湖巨化學(xué)體系相平衡多維表達(dá)三個(gè)關(guān)鍵科學(xué)問題，初步建成了覆蓋數(shù)百個(gè)體系的多溫?zé)崃W(xué)相平衡模擬預(yù)測系統(tǒng)，系統(tǒng)闡述了模型的熱力學(xué)基礎(chǔ)與系統(tǒng)構(gòu)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?zé)崃W(xué)模型。該鹽湖巨化學(xué)模擬預(yù)測系統(tǒng)登記了國家計(jì)算機(jī)軟件著作權(quán)，供科研人員在線免費(fèi)使用（圖1）。模擬系統(tǒng)顯著提高了對鹽湖鹵水析鹽規(guī)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(zhuǎn)移規(guī)律，并基于此提出了從鹽湖經(jīng)濟(jì)回收銣的工藝流程。

圖1 鹽湖巨化學(xué)系統(tǒng)熱力學(xué)模擬預(yù)測在線系統(tǒng)

3.2 鹽湖鋰資源綠色高效利用及高純鋰鹽制備的科學(xué)基礎(chǔ)

新能源是全球“碳達(dá)峰”與“碳中和”不可替代的重要戰(zhàn)略和途徑，鋰資源綠色高效開發(fā)利用及鋰基礎(chǔ)材料制備直接關(guān)系到國家能源安全與戰(zhàn)略需求。青海鹽湖鋰資源與其他多種資源伴生，資源呈現(xiàn)高鎂低鋰特征，現(xiàn)有的鋰資源開發(fā)技術(shù)基于鹽湖鉀資源開發(fā)后的老鹵，鋰?yán)寐什蛔?0%。在近幾十年鉀鹽開發(fā)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(shí)現(xiàn)鋰資源利用的清潔化和高效化，是我國鹽湖鋰資源開發(fā)亟待解決的科學(xué)技術(shù)問題。

在鹽湖聯(lián)合基金集成項(xiàng)目U1707601的資助下，中國科學(xué)院青海鹽湖研究所李麗娟、華東理工大學(xué)孫淑英等研究團(tuán)隊(duì)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(zhì)、雜質(zhì)離子等多層次界面相互作用和傳質(zhì)過程規(guī)律，結(jié)合過程強(qiáng)化和數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)制備、電滲析膜技術(shù)集成、萃取劑設(shè)計(jì)合成等幾方面取得突破，研制了高純鋰基礎(chǔ)材料制備技術(shù)。

有關(guān)鹵水蒸發(fā)濃縮過程中鋰的傳質(zhì)規(guī)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(jià)元素的工藝流程提供了技術(shù)支撐，已建成了萬噸級碳酸鋰生產(chǎn)線（圖2），大幅提高了鋰資源綜合回收率。研究團(tuán)隊(duì)采用箱式萃取槽，開展了不同類型含鋰鹵水的放大試驗(yàn)，為青海興華鋰業(yè)建立從高鎂鋰比鹽湖鹵水中分離提取氯化鋰與硼酸聯(lián)產(chǎn)工藝提供了技術(shù)支撐：鋰總回收率≥85%，排放尾液中鋰含量≤50×10-6，氯化鋰產(chǎn)品純度≥99.5%。實(shí)踐證明，溶劑萃取技術(shù)在鋰分離選擇性和回收率方面顯示了優(yōu)異的效果。

圖2 萬噸級碳酸鋰生產(chǎn)過程

3.3 鹽湖鎂資源的有效利用與產(chǎn)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(yè)的發(fā)展的瓶頸之一。鉀鹽生產(chǎn)線上每年3000余萬噸副產(chǎn)鎂鹽的棄置堆積已經(jīng)成為業(yè)內(nèi)公認(rèn)的資源和生態(tài)問題，隨之而來的鹵水組分賦存比例失衡的風(fēng)險(xiǎn)也在嚴(yán)重威脅著鉀鹽的開發(fā)。

在鹽湖聯(lián)合基金集成項(xiàng)目U1707603的資助下，北京化工大學(xué)宋宇飛、山西大學(xué)方莉、中山大學(xué)王維龍、中國科學(xué)院青海鹽湖研究所王敏等研究團(tuán)隊(duì)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制備過程強(qiáng)化、界面控制和產(chǎn)品性能強(qiáng)化兩類關(guān)鍵科學(xué)問題，以鹽湖鎂資源（水氯鎂石）為原料，實(shí)現(xiàn)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(guī)模生產(chǎn)。以察爾汗鹽湖工業(yè)水氯鎂石為原料，制備了多溫度段、成本低廉、性能優(yōu)異的鎂基熔鹽材料，推動(dòng)了鹽湖鎂資源的綜合利用，確保了鹽湖鎂資源的可持續(xù)性發(fā)展。

北京化工大學(xué)、中國科學(xué)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(jié)構(gòu)層狀功能材料（LDHs）工程化關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用與示范項(xiàng)目建設(shè)（圖3）?；诓鞝柡果}湖提鉀后老鹵中鎂資源賦存和環(huán)境特點(diǎn)，根據(jù)相圖原理，確定了老鹵中鈣、鎂等離子的富集規(guī)律及析鹽規(guī)律；采用鹽田精控工藝技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了鈣、硫酸根和硼等雜質(zhì)離子的合理控制，制備了高品質(zhì)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(yīng)釜生長技術(shù)、原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)清潔生產(chǎn)工藝、洗滌水套用技術(shù)，制備出鎂基LDHs產(chǎn)品，在鹽湖建成鎂基LDHs百噸級生產(chǎn)示范裝置。制備的MgAl-LDHs和MgZnAl-LDHs具有優(yōu)異的紫外阻隔性能，應(yīng)用于抗紫外老化瀝青，鋪設(shè)了高速公路示范路段；研發(fā)成果建立了鹽湖優(yōu)勢資源的高效、高值利用優(yōu)化途徑，推動(dòng)了鹽湖資源的可持續(xù)發(fā)展。2020年4月，北京化工大學(xué)與青海西部礦業(yè)集團(tuán)聯(lián)合成立了青海西部鎂業(yè)新材料有限公司，共同利用鹽湖鎂資源發(fā)展鎂基插層結(jié)構(gòu)功能材料，合作建設(shè)1條2000噸/年的鎂基插層結(jié)構(gòu)功能材料生產(chǎn)線，現(xiàn)已進(jìn)入設(shè)備招標(biāo)階段，計(jì)劃2021年7月建成投產(chǎn)。

圖3 鎂基超分子結(jié)構(gòu)功能材料制備車間實(shí)景圖

4 總結(jié)與展望

鹽湖聯(lián)合基金以青海鹽湖資源有效利用這一重大實(shí)際需求為目標(biāo)，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(xué)科前沿發(fā)展理念解決了制約鹽湖資源可持續(xù)利用的關(guān)鍵科學(xué)問題，促進(jìn)了西部科技進(jìn)步。在解決重大科學(xué)問題基礎(chǔ)上，發(fā)展了以高水平鎂鋰分離和鎂基產(chǎn)品工程等系列核心技術(shù)，破解了以往僅依靠鉀肥的單一產(chǎn)品格局，在帶動(dòng)鎂資源多元化發(fā)展的同時(shí)，為鉀肥可持續(xù)供應(yīng)保障農(nóng)業(yè)安全、鋰資源高效利用保障新能源安全，奠定了科學(xué)與技術(shù)基礎(chǔ)。

盡管如此，在后續(xù)資助過程中建議加強(qiáng)如下幾方面工作。

（1）進(jìn)一步加強(qiáng)鹽湖化工基礎(chǔ)科學(xué)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(guān)企業(yè)直接參與指南建議和撰寫，進(jìn)一步強(qiáng)化指南布局的需求和問題導(dǎo)向。

（2）積極鼓勵(lì)鹽湖化工企業(yè)與高校、科研院所聯(lián)合申報(bào)基金項(xiàng)目，充分利用化工企業(yè)工程放大的優(yōu)勢與高校及科研院所的基礎(chǔ)研究平臺，加強(qiáng)項(xiàng)目實(shí)施的針對性，推動(dòng)基礎(chǔ)研究成果直接服務(wù)于工程應(yīng)用。

（3）邀請更多鹽湖化工企業(yè)科研人員參與聯(lián)合基金各類學(xué)術(shù)活動(dòng)，搭建多種形式的基礎(chǔ)研究與鹽湖產(chǎn)業(yè)交流平臺，加強(qiáng)成果對接，推動(dòng)科研成果轉(zhuǎn)化落地。

（4）以鹽湖聯(lián)合基金為紐帶，加強(qiáng)青海與國內(nèi)其他強(qiáng)勢科研單位的合作，推動(dòng)鹽湖化工和青海省科技的快速發(fā)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。