_ Chimiștii inventează o modalitate mai eficientă de a extrage litiul din site-uri miniere, câmpuri petroliere, baterii uzate

Chimiștii de la Laboratorul Național Oak Ridge al Departamentului de Energie au inventat o modalitate mai eficientă de a extrage litiul din lichidele reziduale leșiate din site-urile miniere, câmpurile petroliere și bateriile uzate. Ei au demonstrat că un mineral obișnuit poate adsorbi de cel puțin cinci ori mai mult litiu decât poate fi colectat folosind materiale adsorbante dezvoltate anterior.

„Este un proces cu cost redus, cu absorbție ridicată de litiu”, a spus Parans Paranthaman, un ORNL Corporate Fellow și National Academy of Inventors Fellow cu 58 de brevete emise. El a condus experimentul de demonstrare a conceptului cu Jayanthi Kumar, un chimist al materialelor ORNL cu experiență în proiectarea, sinteza și caracterizarea materialelor stratificate.

„Avantajul cheie este că funcționează la un pH mai larg. interval de 5 până la 11 în comparație cu alte metode de extracție directă cu litiu”, a spus Paranthaman. Procesul de extracție fără acid are loc la 140 de grade Celsius, în comparație cu metodele tradiționale care prăjesc mineralele extrase la 250 de grade Celsius cu acid sau 800 până la 1000 de grade Celsius fără acid.

Echipa a solicitat un brevet. pentru invenție.

Litiul este un metal ușor utilizat în mod obișnuit în bateriile dense și reîncărcabile. Vehiculele electrice, care sunt necesare pentru a atinge emisii nete zero până în 2050, se bazează pe bateriile litiu-ion. Industrial, litiul este extras din saramură, roci și argile. Inovația ORNL poate contribui la satisfacerea cererii în creștere pentru litiu făcând sursele interne viabile din punct de vedere comercial.

Cercetarea dezvăluie o cale îndepărtată de status quo: o economie liniară în care materialele din minerit, rafinare sau reciclare sunt transformate în produse care, la sfârșitul vieții, sunt aruncate ca deșeuri. Lucrarea se îndreaptă către o economie circulară în care materialele sunt menținute în circulație cât mai mult timp pentru a reduce consumul de resurse virgine și generarea de deșeuri.

Invenția ORNL se bazează pe hidroxidul de aluminiu, un mineral care este abundent în scoarța terestră. Oamenii de știință au folosit hidroxid de aluminiu ca sorbent, care este un material care preia un alt material - în acest caz, sulfatul de litiu - și îl ține.

Într-un proces numit litiare, o pulbere de hidroxid de aluminiu extrage ioni de litiu. dintr-un solvent pentru a forma o fază stabilă de hidroxid dublu stratificat, sau LDH. Apoi, în delitiare, tratamentul cu apă fierbinte face ca LDH să renunțe la ionii de litiu și să regenereze sorbentul. În timpul relitiării, sorbentul este reutilizat pentru a extrage mai mult litiu. „Aceasta este baza unei economii circulare”, a spus Paranthaman.

Cercetarea este publicată în jurnalul ACS Applied Materials & Interfaces. O a doua lucrare conexă, publicată concomitent în The Journal of Physical Chemistry C, a explorat stabilitatea delitării în diferite condiții.

Hidroxidul de aluminiu există în patru polimorfe cristaline foarte ordonate și o formă amorfă sau dezordonată. Forma se dovedește a juca un rol important în funcția sorbantului.

Kumar a călătorit la Universitatea de Stat din Arizona pentru a lucra cu Alexandra Navrotsky pentru a măsura termodinamica reacțiilor chimice. Colegul ORNL Bruce Moyer, un expert renumit în știința și tehnologia separării, a oferit o perspectivă asupra experimentelor cinetice.

„Pe baza măsurătorilor calorimetrice, am aflat că hidroxidul de aluminiu amorf este cea mai puțin stabilă formă dintre hidroxidii de aluminiu și astfel este foarte reactiv”, a spus Kumar. „Aceasta a fost cheia acestei metode, care a dus la o capacitate mai mare de extracție a litiului”.

Deoarece hidroxidul de aluminiu amorf este cel mai puțin stabil dintre formele minerale, reacţionează spontan cu litiul din saramură levigata din argile reziduale. "Numai când am făcut măsurătorile ne-am dat seama că forma amorfa este mult, mult, mult mai puțin stabilă. De aceea este mai reactivă", a spus Kumar. „Pentru a dobândi stabilitate, reacționează foarte repede în comparație cu alte forme.”

Kumar optimizează procesul prin care sorbantul adsorbe selectiv litiul din lichidele care conțin litiu, sodiu și potasiu și continuă să formeze sulfat de LDH.

La Center for Nanophase Materials Sciences, o facilitate pentru utilizatori DOE Office of Science de la ORNL, cercetătorii au folosit microscopia electronică de scanare pentru a caracteriza morfologia hidroxidului de aluminiu în timpul litierii. Este un strat neutru încărcat care conține locuri vacante atomice sau găuri mici. Litiul este absorbit în aceste locuri. Dimensiunea acestor locuri libere este cheia selectivității hidroxidului de aluminiu pentru litiu, care este un ion încărcat pozitiv sau cation.

„Acest loc liber este atât de mic încât poate încadra numai cationi de dimensiunea litiului, ", a spus Kumar. „Sodiul și potasiul sunt cationi cu raze mai mari. Cationii mai mari nu se potrivesc în locul liber. Cu toate acestea, este o potrivire perfectă pentru litiu.”

Selectivitatea hidroxidului de aluminiu amorf pentru litiu are ca rezultat aproape -eficienta perfecta. Într-o singură etapă, procesul a captat 37 de miligrame de litiu per gram de sorbent recuperabil - de aproximativ cinci ori mai mult decât o formă cristalină de hidroxid de aluminiu numită gibbsit, care a fost folosită anterior pentru extracția litiului.

Primul pas. de litiare extrage 86% din litiul din levigat, sau saramură, din site-urile miniere sau câmpurile petroliere. Trecerea levigatului prin sorbentul de hidroxid de aluminiu amorf a doua oară preia restul de litiu. „În doi pași, puteți recupera complet litiul”, a spus Paranthaman.

Venkat Roy și Fu Zhao de la Universitatea Purdue au analizat beneficiile ciclului de viață ale unei economii circulare din extracția directă a litiului. Ei au comparat procesul ORNL cu o metodă standard folosind carbonat de sodiu. Ei au descoperit că tehnologia ORNL a folosit o treime din material și o treime din energie și, ulterior, a generat mai puține emisii de gaze cu efect de seră.

În continuare, cercetătorii doresc să extindă procesul de extragere a mai multor litiu și regenerare a sorbantului în o formă specifică. Acum, când sorbentul amorf de hidroxid de aluminiu reacționează cu litiul și este ulterior tratat cu apă fierbinte pentru a elimina litiul și a regenera sorbantul, rezultatul este o schimbare structurală a polimorfului de hidroxid de aluminiu de la amorf la o formă cristalină numită bayerită.

„Forma de bayerită este mai puțin reactivă”, a spus Kumar. „Este nevoie fie de mai mult timp – 18 ore – sau de litiu mai concentrat pentru ca acesta să reacționeze, spre deosebire de forma amorfă, care reacționează în 3 ore pentru a culege tot litiul din soluția de levigat. Trebuie să găsim o cale de întoarcere. la faza amorfă, despre care știm că este foarte reactivă.”

Succesul în optimizarea noului proces pentru viteza și eficiența extracției ar putea schimba jocul pentru aprovizionarea internă cu litiu. Mai mult de jumătate din rezervele de litiu din lume se află în locuri în care concentrația de minerale dizolvate este mare, cum ar fi Marea Salton din California sau câmpurile petroliere din Texas și Pennsylvania.

„Pe plan intern, nu avem au cu adevărat producție de litiu”, a spus Paranthaman. „Mai puțin de 2% din litiu pentru producție este din America de Nord. Dacă putem folosi noul proces ORNL, avem diverse surse de litiu în toată Statele Unite. Adsorbantul este atât de bun încât îl puteți folosi pentru orice saramură sau chiar soluții din baterii litiu-ion reciclate."

(Fluierul)