Революционная мембранная технология извлекает литий из воды

Аргоннская национальная лаборатория, Лемонт, Иллинойс, и Чикагский университет, Иллинойс

H-образная ячейка для изучения поведения мембранного транспорта:одна половина содержит смесь соленой воды (синяя жидкость), другая показывает результат после отделения мембраны (прозрачная жидкость). Слева направо:Сет Дарлинг и Инин Лю. (Изображение:Аргоннская национальная лаборатория)

Литий, самый легкий металл таблицы Менделеева, играет ключевую роль в современной жизни. Его малый вес и высокая плотность энергии делают его идеальным для электромобилей, мобильных телефонов, ноутбуков и военной техники, где каждая унция имеет значение. Поскольку спрос на литий стремительно растет, растут опасения по поводу поставок и надежности.

Чтобы удовлетворить растущий спрос и возможные проблемы в цепочке поставок, ученые Аргоннской национальной лаборатории Министерства энергетики США (DOE) разработали инновационную мембранную технологию, которая эффективно извлекает литий из воды. Несколько членов команды также работают совместно с Притцкеровской школой молекулярной инженерии (PME) Чикагского университета.

«Новая мембрана, которую мы разработали, предлагает потенциальную недорогую и богатую альтернативу экстракции лития дома», — сказал Сет Дарлинг, директор по науке и технологиям управления передовых энергетических технологий Аргонна. Он также является директором Центра передовых исследований энергетических материалов для систем энергетики и воды (AMEWS) в Аргонне и старшим научным сотрудником PME.

В настоящее время большая часть лития в мире поступает из горных пород и соленых озер всего в нескольких странах, что делает цепочки поставок уязвимыми для сбоев. Однако большая часть лития Земли на самом деле растворена в морской воде и подземных запасах соленой воды. Проблема? Извлечение его из этих нетрадиционных источников было непомерно дорогим, энергоемким и неэффективным. Традиционные методы с трудом отделяют литий от других, более распространенных элементов, таких как натрий и магний.

В соленой воде литий и другие элементы существуют в виде катионов. Это атомы, потерявшие один или несколько электронов, что придало им положительный электрический заряд. Ключом к эффективной экстракции лития является фильтрация других катионов в зависимости от их размера и степени заряда.

Атомная структура вермикулитовой мембраны:двумерные слои, поддерживаемые столбиками из оксида алюминия. Желтые шарики легированы ионами натрия. (Изображение:Аргоннская национальная лаборатория)

Новая мембрана предлагает многообещающее недорогое решение. Он сделан из вермикулита, распространенной в природе глины, стоимость которой составляет всего около 350 долларов за тонну. Команда разработала процесс разделения глины на ультратонкие слои (толщиной всего в миллиардную долю метра) и последующего складывания их в своего рода фильтр. Эти слои настолько тонкие, что их можно считать двухмерными.

Но тут возникла загвоздка:без обработки пласты глины разваливаются в воде в течение получаса из-за сильного сродства с ней.

Чтобы решить эту проблему, исследователи вставили между слоями микроскопические столбы из оксида алюминия, придав конструкции вид строящейся многоэтажной парковки — со множеством твердых столбов, удерживающих каждый «этаж» на месте. Такая архитектура предотвращает коллапс и одновременно нейтрализует отрицательный поверхностный заряд мембраны, что является решающим шагом для последующих модификаций.

Далее в мембрану вводились катионы натрия, где они осаждались вокруг столбиков оксида алюминия. Это изменило поверхностный заряд мембраны с нейтрального на положительный. В воде ионы магния и лития несут положительный заряд, но ионы магния несут более высокий заряд (+2) по сравнению с ионами лития (+1). Положительно заряженная поверхность мембраны отталкивает ионы магния с более высоким зарядом, чем ионы лития. Эта разница позволяет мембране легче захватывать ионы лития, не пропуская ионы магния.

Чтобы еще больше улучшить производительность, команда добавила еще больше ионов натрия. Это уменьшило размер пор мембраны. В результате мембрана пропускает более мелкие ионы, такие как натрий и калий, и улавливает более крупные ионы лития.

«Фильтруя как по размеру, так и по заряду ионов, наша мембрана может вытягивать литий из воды с гораздо большей эффективностью», — сказал первый автор Инин Лю, доктор философии. кандидат в Университете Чикаго и член команды AMEWS. «Такая мембрана могла бы снизить нашу зависимость от иностранных поставщиков и открыть двери к новым запасам лития в местах, о которых мы никогда не думали».

Исследователи полагают, что этот прорыв может иметь более широкое применение:от восстановления других ключевых материалов, таких как никель, кобальт и редкоземельные элементы, до удаления вредных загрязнений из систем водоснабжения.

«Существует много типов этой глины», — сказал Лю. «Мы изучаем, как это может помочь собрать важные элементы из морской воды и рассолов соленых озер или даже помочь очистить нашу питьевую воду».

Для получения дополнительной информации обращайтесь:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript. или Сет Дарлинг:Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра у вас должен быть включен JavaScript.