Легкий металлический литий — это мощный критический минерал, который служит ключевым ингредиентом в аккумуляторных батареях, питающих телефоны, ноутбуки, электромобили и многое другое. Насколько вездесущ литий в современных технологиях, настолько же сложным и дорогим является его извлечение.
Новый метод, разработанный исследователями из Университета штата Пенсильвания и недавно получивший патентные права, позволяет извлекать литий с высокой эффективностью — за считанные минуты, а не часы — с использованием низких температур и простого выщелачивания на водной основе.
«Литий является источником энергии для технологий, которые определяют нашу современную жизнь — от смартфонов до электромобилей — и применяется в сетевых накопителях энергии, керамике, стекле, смазочных материалах и даже в медицинских и ядерных технологиях», — сказал Мохаммад Резаи, профессор кафедры горного дела в Университете штата Пенсильвания, получивший награду Centennial Career Development Professor в области горного дела, который возглавлял группу, опубликовавшую свой подход в журнале Chemical Engineering Journal.
«Но его добыча также должна быть экологически ответственной.
Наши исследования показывают, что мы можем извлекать литий и другие важные минералы более эффективно, при этом значительно сокращая потребление энергии, выбросы парниковых газов и отходы, которые трудно обрабатывать или утилизировать».
Австралия, Чили и Китай лидируют в мире по поставкам лития, экспортируя его в страны, конкурирующие в области все более передовых технологий, которые зависят от этого минерала.
Чили и Аргентина отвечают за 97% экспорта лития в Соединенные Штаты, которые импортируют более чем в два раза больше, чем могут извлечь из внутренних ресурсов, несмотря на наличие миллионов метрических тонн литиевых месторождений .
По словам Резаи, проблема заключается во времени, финансовых затратах и воздействии на окружающую среду при извлечении лития из пород, где он встречается естественным образом.
Однако Резаи и члены его исследовательской группы Чандима Хевапатиранаге и Шихуа Хан, которые получают докторские степени в области энергетики и горного дела, с опцией горного дела и горнодобывающей промышленности в Университете штата Пенсильвания, нашли решение.
При гораздо меньшем потреблении энергии и меньшем количестве едких химикатов, чем при традиционных методах, их бескислотный подход может извлечь более 99% доступного лития из породы за считанные минуты, по сравнению с часами традиционной добычи, которая производит примерно 96% доступного лития.
«Особенно перспективным этот подход делает его совместимость с существующей промышленной инфраструктурой», — сказал Резаи, объяснив, что новый процесс разработан с учетом масштабируемости и практичности и не требует воздействия экстремальных температур или использования кислот.
«В нем используются обычные материалы, такие как гидроксид натрия — распространенное соединение, используемое при изготовлении мыла и входящее в состав многих бытовых чистящих средств, — и вода, и он работает при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы.
Это делает его не только чище и быстрее, но и проще для внедрения в больших масштабах».
Традиционная добыча лития подразумевает либо уговаривание рудных пород отдать металл, либо испарение прудов с богатым литием рассолом.
Выпаривание требует значительного количества воды и занимает слишком много времени, чтобы соответствовать требованиям промышленности.
Прямое извлечение лития из добытых пород происходит быстрее, чем испарение рассола, но включает нагревание минералов до невероятно высоких температур в 1110 градусов по Цельсию — 2300 градусов по Фаренгейту — и поддержание температуры в течение двух часов.
Это делает литиевый минерал пористым и подготавливает литий к отделению от породы.
На следующем этапе пористый минерал обрабатывается серной кислотой и нагревается до 482 градусов по Фаренгейту в течение двух часов.
Этот этап, известный как сернокислотная обжиг, в конечном итоге растворяет большую часть лития. Полученный кислотный раствор лития затем обрабатывается для нейтрализации кислоты и очистки металла.
«На каждом этапе традиционного метода, особенно при высокотемпературной обработке, выделяется значительное количество углекислого газа», — сказал Резаи, объяснив, что серная кислота также создает проблемы для окружающей среды и оставляет опасные побочные продукты.
«Процесс требует значительных инвестиций в оборудование и имеет проблемы с контролем температуры и рекуперацией энергии. Примеси приводят к потере лития, а кислотный раствор лития требует значительного расхода химикатов, чтобы стать основным для окончательной экстракции».
Когда Резаи и его команда впервые задумались об улучшении этого процесса, они поняли, что могут устранить необходимость в фазовом превращении — сильном нагреве и обжиге в серной кислоте , которые высвобождают ионы лития из минерала.
«Мы использовали термодинамическое моделирование, чтобы понять, как литийсодержащие минералы могут взаимодействовать с различными химическими агентами, а затем подтвердили эти прогнозы с помощью лабораторных экспериментов», — сказал Резаи.
«Мы обнаружили, что смешивание литийсодержащего минерала, называемого сподуменом, с гидроксидом натрия при относительно низких температурах преобразует минерал в литийсодержащие водорастворимые фазы».
Они также исследовали возможность использования микроволнового нагрева для этой низкотемпературной реакции (аналогично разогреву пищи в микроволновой печи, а не в духовке), чтобы сократить время обработки до нескольких минут.
В результате этой реакции получается силикат лития-натрия, соединение, которое легко растворяется в воде комнатной температуры.
При добавлении воды литий выщелачивается примерно за минуту. Поскольку полученный раствор уже является основным, то есть некислотным, он также устраняет необходимость в химических добавках, которые требуются для обычного извлечения лития, чтобы перейти от кислого к основному.
Исследователи могут немедленно добавить соединение, которое затвердевает литий, так что его можно легко собрать.
По словам Резаи, этот процесс может также работать для извлечения лития и двух других важных минералов — рубидия и цезия, которые используются в электронике, квантовых вычислениях, солнечных панелях, атомных часах, спутниковых навигационных системах, батареях и даже в качестве ракетного топлива — из лепидолита, другой горной породы.
Он также может извлекать литий из глинистых источников.
В настоящее время команда работает над расширением своего подхода и усовершенствованием процесса для промышленного применения.
Рубрика: Наука. Читать весь текст на android-robot.com.