Hemičari u Nacionalnoj laboratoriji Oak Ridž Ministarstva energetike izmislili su efikasniji način za izdvajanje litijuma iz otpadnih tečnosti izluženih sa rudarskih lokacija, naftnih polja i korišćenih baterija. Oni su pokazali da obični mineral može da adsorbuje najmanje pet puta više litijuma nego što se može prikupiti korišćenjem prethodno razvijenih adsorbujućih materijala.
„To je jeftin proces sa visokim unosom litijuma“, rekao je Parans Paranthaman, korporativni saradnik ORNL-a i član Nacionalne akademije pronalazača sa 58 izdatih patenata. Vodio je eksperiment dokazivanja koncepta sa Jaianthijem Kumarom, ORNL hemičarom materijala sa ekspertizom u dizajnu, sintezi i karakterizaciji slojevitih materijala.
„Ključna prednost je što radi u širem pH opsegu od 5 do 11 u poređenju sa drugim metodama direktnog ekstrakcije litijuma“, rekao je Paranthaman. Proces ekstrakcije bez kiseline odvija se na 140 stepeni Celzijusa, u poređenju sa tradicionalnim metodama koje peku iskopane minerale na 250 stepeni Celzijusa sa kiselinom ili na 800 do 1000 stepeni Celzijusa bez kiseline.
Tim je podneo zahtev za patent za pronalazak.
Litijum je lagan metal koji se obično koristi u energetski gustim i punjivim baterijama. Električna vozila, koja su potrebna za postizanje neto nulte emisije do 2050. godine, oslanjaju se na litijum-jonske baterije. Industrijski, litijum se ekstrahuje iz slanih rastvora, stena i gline. ORNL inovacija može pomoći da se zadovolji rastuća potražnja za litijumom tako što će domaće izvore učiniti komercijalno održivim.
Istraživanje otkriva put udaljavanja od statusa kuo: linearnu ekonomiju u kojoj se materijali iz rudarstva, prerade ili reciklaže pretvaraju u proizvode koji se na kraju svog života odlažu kao otpad. Rad se kreće ka kružnoj ekonomiji u kojoj se materijali drže u opticaju što je duže moguće kako bi se smanjila potrošnja prvobitnih resursa i stvaranje otpada.
ORNL pronalazak se oslanja na aluminijum hidroksid, mineral koji je u izobilju u Zemljinoj kori. Naučnici su koristili aluminijum hidroksid kao sorbent, koji je materijal koji preuzima drugi materijal – u ovom slučaju, litijum sulfat – i drži ga.
U procesu koji se naziva litiranje, prah aluminijum hidroksida ekstrahuje litijum jone iz rastvarača da bi se formirala stabilna slojevita faza dvostrukog hidroksida ili LDH. Zatim u delitaciji, tretman sa toplom vodom uzrokuje da LDH napusti litijum jone i regeneriše sorbent. Tokom relitiranja, sorbent se ponovo koristi za ekstrakciju više litijuma. „Ovo je osnova za kružnu ekonomiju“, rekao je Paranthaman.
Istraživanje je objavljeno u časopisu ACS primenjeni materijali i interfejsi. Srodni drugi rad, istovremeno objavljen u časopisu The Journal of Phisical Chemistri C, istraživao je stabilnost delitacije pod različitim uslovima.
Aluminijum hidroksid postoji u četiri visoko uređena kristalna polimorfa i jednom amorfnom, ili neuređenom obliku. Ispostavilo se da forma igra veliku ulogu u funkciji sorbenta.
Kumar je otputovao na državni univerzitet u Arizoni da radi sa Aleksandrom Navrocki na merenju termodinamike hemijskih reakcija. Korporativni saradnik ORNL-a Brus Mojer, renomirani stručnjak za nauku i tehnologiju separacije, pružio je uvid u kinetičke eksperimente.
„Na osnovu kalorimetrijskih merenja, saznali smo da je amorfni aluminijum hidroksid najmanje stabilan oblik među aluminijum hidroksidima i samim tim veoma reaktivan“, rekao je Kumar. „To je bio ključ za ovu metodu koja je rezultirala većim kapacitetom ekstrakcije litijuma.“
Pošto je amorfni aluminijum hidroksid najmanje stabilan među oblicima minerala, on spontano reaguje sa litijumom iz slane vode izlužene iz otpadne gline. „Tek kada smo uradili merenja, shvatili smo da je amorfna forma mnogo manje stabilna. Zato je reaktivnija“, rekao je Kumar. „Da bi stekao stabilnost, reaguje veoma brzo u poređenju sa drugim oblicima.
Kumar optimizuje proces kojim sorbent selektivno adsorbuje litijum iz tečnosti koje sadrže litijum, natrijum i kalijum i dalje formira LDH sulfat.
U Centru za nanofazne materijale, korisničkom objektu DOE Office of Science na ORNL, istraživači su koristili skenirajuću elektronsku mikroskopiju da okarakterišu morfologiju aluminijum hidroksida tokom litiranja. To je naelektrisani neutralni sloj koji sadrži atomska slobodna mesta, ili sitne rupe. Litijum se apsorbuje na ovim mestima. Veličina ovih slobodnih mesta je ključna za selektivnost aluminijum hidroksida za litijum, koji je pozitivno naelektrisani jon, ili katjon.
„Ta prazna lokacija je toliko mala da može da stane samo katjonima veličine litijuma“, rekao je Kumar. „Natrijum i kalijum su katjoni sa većim radijusima. Veći katjoni se ne uklapaju u upražnjeno mesto. Međutim, savršeno odgovara litijumu.“
Selektivnost amorfnog aluminijum hidroksida za litijum rezultira skoro savršenom efikasnošću. U jednom koraku, proces je uhvatio 37 miligrama litijuma po gramu sorbenta koji se može oporaviti – otprilike pet puta više od kristalnog oblika aluminijum hidroksida zvanog gibzit, koji je ranije korišćen za ekstrakciju litijuma.
Prvi korak litiranja ekstrahuje 86% litijuma u procednoj vodi, ili salamuri, iz rudarskih lokacija ili naftnih polja. Propuštanjem procedne vode kroz amorfni sorbent aluminijum hidroksida po drugi put se pokupi ostatak litijuma. „U dva koraka možete u potpunosti povratiti litijum“, rekao je Paranthaman.
Venkat Roi i Fu Zhao sa Univerziteta Purdue analizirali su prednosti životnog ciklusa cirkularne ekonomije od direktne ekstrakcije litijuma. Oni su uporedili ORNL proces sa standardnom metodom koristeći natrijum karbonat. Otkrili su da ORNL tehnologija koristi jednu trećinu materijala i jednu trećinu energije i nakon toga stvara manje emisije gasova staklene bašte.
Zatim, istraživači žele da prošire proces kako bi izvukli više litijuma i regenerisali sorbent u specifičnom obliku. Sada, kada amorfni sorbent aluminijum hidroksida reaguje sa litijumom i kasnije se tretira toplom vodom da bi se uklonio litijum i regenerisao sorbent, rezultat je strukturna promena u polimorfu aluminijum hidroksida iz amorfnog u kristalni oblik koji se zove bajerit.
„Oblik bajerita je manje reaktivan“, rekao je Kumar. „Potrebno je ili više vremena—18 sati—ili više koncentrisanog litijuma da bi reagovao, za razliku od amorfnog oblika, koji reaguje u roku od 3 sata da pokupi sav litijum iz rastvora procedne vode. Moramo da pronađemo put da se vratimo nazad u amorfnu fazu, za koju znamo da je veoma reaktivna.“
Uspeh u optimizaciji novog procesa za brzinu i efikasnost ekstrakcije mogao bi da promeni igru za domaće snabdevanje litijumom. Više od polovine svetskih kopnenih rezervi litijuma nalazi se na mestima gde je koncentracija rastvorenih minerala visoka, kao što su kalifornijski Salton Sea ili naftna polja u Teksasu i Pensilvaniji.
„U zemlji, mi zapravo nemamo proizvodnju litijuma“, rekao je Paranthaman. „Manje od 2% litijuma za proizvodnju je iz Severne Amerike. Ako možemo da koristimo novi ORNL proces, imamo različite izvore litijuma širom Sjedinjenih Država. Sorbent je toliko dobar da ga možete koristiti za bilo koje slane rastvore ili čak rešenja iz reciklirane litijum-jonske baterije.“
