Революционная мембранная технология извлекает литий из воды

Argonne National Laboratory, Lemont, IL, и University of Chicago, IL

H-образная ячейка для изучения транспортного поведения мембраны: одна половина — соленый раствор (синяя жидкость), другая — результат после мембранной сепарации (прозрачная жидкость). Слева направо: Сет Дарлинг и Ининг Лью. (Изображение: Argonne National Laboratory)

Литий, легчайший металл в периодической таблице, играет ключевую роль в современной жизни. Низкий вес и высокая энергоплотность делают его идеальным для электромобилей, смартфонов, ноутбуков, военных технологий — где каждый грамм на счету. По мере взрывного роста спроса на литий растут опасения по поводу поставок и надежности.

Для удовлетворения растущего спроса и возможных проблем цепочек поставок ученые U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory разработали инновационную мембранную технологию, эффективно извлекающую литий из воды. Несколько участников команды также имеют совместные назначения в Pritzker School of Molecular Engineering (PME) University of Chicago.

«Новая разработанная нами мембрана предлагает потенциально дешевый и доступный альтернативный способ извлечения лития у нас дома», — говорит Сет Дарлинг, Chief Science and Technology Officer для директората Advanced Energy Technologies Argonne. Также директор Energy Frontier Research Center Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) в Argonne и старший ученый PME.

Сейчас большинство мирового лития добывается твердой рудной добычей и из соленых озер в нескольких странах, делая цепочки поставок уязвимыми для сбоев. При этом большая часть лития Земли растворена в морской воде и подземных соленых запасах. Проблема? Извлечение из этих неконвенциональных источников было запретительно дорогим, энергозатратным и неэффективным. Традиционные методы борются за разделение лития от более обширных элементов — натрия и магния.

В соленой воде литий и другие элементы существуют как катионы — атомы, потерявшие один или более электронов, получившие положительный заряд. Ключ к эффективному извлечению — фильтрация других катионов по размеру и степени заряда.

Атомная структура вермикулитовой мембраны, показывающая 2D-слои, поддерживаемые столбами из оксида алюминия. Желтые шары — допированные ионы натрия. (Изображение: Argonne National Laboratory)

Новая мембрана — многообещающее дешевое решение. Сделана из вермикулита, естественного богатого глины, стоимостью ~$350 за тонну. Команда разработала процесс ращепления глины на ультротонкие слои — толщиной в миллиардную долю метра — и их рестакевания в фильтр. Слои настолько тонки, что считаются 2D.

Но была проблема: необработанные глинистые слои распадаются в воде за полчаса из-за сильного сродства к ней.

Для решения исследователи вставили микроскопические столбы из оксида алюминия между слоями, придавая структуре вид многоэтажного паркинга на стройке — множество твердых столбов держат каждый «этаж» на месте. Эта архитектура предотвращает коллапс и нейтрализует отрицательный поверхностный заряд мембраны — критичный шаг для последующих модификаций.

Затем в мембрану вводили ионы натрия, осевшие вокруг столбов оксида алюминия. Это изменило поверхностный заряд мембраны с нейтрального на положительный. В воде и магний, и литий несут положительный заряд, но ионы магния — более высокий заряд (+2) против лития (+1). Положительно заряженная поверхность мембраны сильнее отталкивает более заряженные ионы магния, чем литий. Эта разница позволяет мембране легче захватывать ионы лития, удерживая магний снаружи.

Для дальнейшего уточнения производительности команда добавила еще больше ионов натрия. Это уменьшило размер пор мембраны. Результат: мембрана пропускает меньшие ионы (натрий, калий), удерживая более крупные ионы лития.

«Фильтруя и по размеру иона, и по заряду, наша мембрана вытягивает литий из воды с гораздо большей эффективностью», — говорит первый автор Ининг Лью, PhD-кандидат UChicago и член команды AMEWS. «Такая мембрана может снизить зависимость от иностранных поставщиков и открыть доступ к новым литийным запасам там, где мы никогда не рассматривали».

Исследователи верят, что прорыв может иметь шире применение: от восстановления других ключевых материалов (никель, кобальт, редкоземельные) до удаления вредных загрязнителей из водоснабжения.

«Существует много типов этого глинистого материала», — говорит Лью. «Исследуем, как он может помочь собирать критические элементы из морской воды и соленых рассолов соленых озер или даже очищать нашу питьевую воду».

Для информации контактируйте (email защищен от спамботов) или Сет Дарлинг (email защищен от спамботов).