Литий, этот серебристо-белый металл, стал источником жизненной силы современного мира, питая энергией все, от смартфонов до электромобилей. Но по мере того, как спрос на литий растет, гонка за его обеспечением становится все более напряженной.

Драгоценный литий извлекается путем добычи из горных руд, что является дорогостоящим, медленным и наносит ущерб окружающей среде. Но, возможно, удивительно, но большая часть добычи лития основана на испарении рассола в огромных прудах под солнцем в течение года или более. В результате этого процесса получается раствор, богатый литием. Но для завершения работы требуется интенсивное использование потенциально токсичных химикатов.

Исследователи из Имперского колледжа Лондона представили новую технологию, которая может изменить правила игры в том, как мы собираем литий из соленых вод озер и геотермальных источников.

Исследователи разработали полимерную мембрану с крошечными, точно спроектированными порами в форме песочных часов, которая может избирательно фильтровать ионы лития из сложных растворов рассола. Эти соленые растворы богаты литием, но также содержат другие ионы, такие как натрий, калий и магний. Традиционные методы экстракции лития изо всех сил пытались эффективно отделить эти ионы.

Традиционное извлечение лития из рассола – медленный и ресурсоемкий процесс. Он включает в себя закачку соляного раствора в огромные пруды для испарения, где могут потребоваться месяцы или даже годы, чтобы вода испарилась, а литий концентрировался. Этот процесс потребляет огромное количество воды и химических веществ, а также приводит к выбросам парниковых газов.

Новая мембранная технология обещает более дешевую эксплуатацию и меньшее загрязнение. Изготовленная из класса материалов, известных как полимеры собственной микропористости (PIM), мембрана содержит субнанометровые поры, которые действуют как молекулярные сита. Эти поры выстланы гидрофильными или притягивающими воду функциональными группами, которые помогают направлять ионы лития через мембрану, блокируя более крупные ионы.

В экспериментах мембрана пропускала 200 ионов лития на каждый ион магния. Эти характеристики превосходят большинство существующих мембранных материалов, которые часто испытывают трудности с достижением даже соотношения селективности 10 к 1.

При интеграции в электродиализное устройство мембрана использует электрический ток для протягивания ионов лития через свои поры, оставляя после себя магний и другие примеси. В ходе испытаний с использованием смоделированных рассолов соленых озер система получила высокочистый карбонат лития аккумуляторного качества.

Полимеры, используемые для создания мембран, растворимы в обычных растворителях и могут быть изготовлены с использованием существующих промышленных технологий. Это делает технологию масштабируемой, поэтому ее можно быстро адаптировать для широкомасштабного использования.

«Мы находимся в процессе создания компании, занимающейся климатическими технологиями, и стремимся наладить партнерские отношения с компаниями для добычи лития в больших масштабах с использованием реальных решений для рассола», — сказал ведущий автор исследования доктор Цилей Сонг.

Устойчивое решение для растущего спроса

Потребность в устойчивой добыче лития является насущной. Мировой спрос на литий стремительно растет по мере того, как мир переходит на электромобили и накопители возобновляемой энергии. Извлечение лития из соляного раствора с помощью мембран может стать более устойчивой и экономически эффективной альтернативой традиционным методам, особенно если процесс основан на возобновляемых источниках энергии.

Команда уже увеличила масштаб своих мембран и протестировала их в более крупных электродиализных установках, что является первым шагом к промышленному применению. В одном эксперименте они смогли сконцентрировать литий из смешанного солевого раствора до более чем 3 молей на литр, что подходит для производства карбоната лития высокой чистоты, ключевого ингредиента в батареях.

Та же технология может быть использована для очистки воды, извлечения ценных металлов из сточных вод горнодобывающей промышленности или даже извлечения меди и других критически важных материалов.

«Эта технология обладает огромным потенциалом в различных коммерчески важных областях, от хранения энергии до очистки воды и восстановления критически важных материалов в экономике замкнутого цикла», — сказал профессор Сандро Маккиетто, директор по предпринимательству в департаменте химической инженерии в Imperial.

Результаты исследования были опубликованы в журнале Природная вода .