Быстрое извлечение лития исключает использование кислоты и высокой температуры, сообщают ученые

Лёгкий металлический литий — важнейший минерал, который служит ключевым компонентом в аккумуляторных батареях, питающих телефоны, ноутбуки, электромобили и многое другое. Несмотря на повсеместное использование лития в современных технологиях, его добыча сложна и дорогостояща. Новый метод, разработанный исследователями из Университета штата Пенсильвания и недавно получивший патентную защиту, позволяет эффективно добывать литий — за минуты, а не за часы — с помощью низких температур и простого выщелачивания водой.

«Литий используется в технологиях, определяющих нашу современную жизнь, — от смартфонов до электромобилей, — а также в накопителях энергии, керамике, стекле, смазочных материалах и даже в медицинских и ядерных технологиях, — сказал Мохаммад Резаи, профессор горного дела в Университете штата Пенсильвания, который руководил командой, опубликовавшей свой подход в журнале «Химическая инженерия». – Но его добыча также должна быть экологически безопасной. Наши исследования показывают, что мы можем добывать литий и другие важнейшие минералы более эффективно, значительно сокращая при этом потребление энергии, выбросы парниковых газов и количество отходов, с которыми трудно справиться или утилизировать их».

Австралия, Чили и Китай лидируют в мире по поставкам лития, экспортируя его в страны, которые конкурируют в области всё более передовых технологий, зависящих от этого минерала. На Чили и Аргентину приходится 97% экспорта лития в Соединённые Штаты, которые импортируют более чем в два раза больше, чем могут добыть из внутренних ресурсов, несмотря на наличие миллионов тонн залежей лития. По словам Резаи, проблема заключается во времени, финансовых затратах и воздействии на окружающую среду при добыче лития из горных пород, в которых он встречается в природе.

Однако у Резаи и членов его исследовательской группы, Чандимы Хевапатиранаге и Шихуа Хана, которые получают докторскую степень в области энергетики и горного дела, а также в области горного дела и переработки полезных ископаемых в Университете штата Пенсильвания, есть решение. Их бескислотный метод, требующий гораздо меньше энергии и агрессивных химикатов, чем традиционные методы, позволяет извлекать более 99% доступного в породе лития за считаные минуты по сравнению с несколькими часами при традиционной добыче, которая позволяет извлечь примерно 96% доступного лития.

«Что делает этот подход особенно перспективным, так это его совместимость с существующей промышленной инфраструктурой, — сказал Резаи, объяснив, что новый процесс разработан с учётом масштабируемости и практичности и не требует экстремально высоких температур или использования кислот. – В нём используются распространённые материалы, такие как гидроксид натрия — распространённое соединение, используемое при производстве мыла и содержащееся во многих бытовых чистящих средствах, — и вода, и он работает при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы. Это делает его не только более чистым и быстрым, но и более простым в применении в больших масштабах».

Традиционный способ добычи лития заключается либо в извлечении металла из горных пород, либо в выпаривании прудов с богатым литием рассолом. Для выпаривания требуется значительное количество воды, и этот процесс занимает слишком много времени, чтобы удовлетворить потребности промышленности.

Прямое извлечение лития из добываемых горных пород происходит быстрее, чем выпаривание рассола, но требует нагревания минералов до невероятно высоких температур — 1110 градусов по Цельсию — 2300 градусов по Фаренгейту - и поддержания температуры в течение двух часов. Это делает минерал лития пористым и подготавливает литий к отделению от породы.

На следующем этапе пористый минерал обрабатывают серной кислотой и нагревают до 482 градусов по Фаренгейту в течение двух часов. Этот этап, известный как выщелачивание серной кислотой, в конечном итоге растворяет большую часть лития. Полученный кислый раствор лития затем обрабатывают, чтобы нейтрализовать кислоту и очистить металл.

«Каждый этап традиционного метода, особенно высокотемпературная обработка, приводит к выбросу значительного количества углекислого газа, — сказал Резаи, объяснив, что серная кислота также представляет опасность для окружающей среды и оставляет после себя вредные побочные продукты. – Этот процесс требует значительных инвестиций в оборудование и сопряжён с трудностями, связанными с контролем температуры и рекуперацией энергии. Примеси приводят к потере лития, а кислотный раствор лития требует значительного расхода химикатов, чтобы стать базовым для окончательной экстракции».

Когда Резаи и его команда впервые задумались об улучшении этого процесса, они поняли, что могут устранить необходимость в фазовой трансформации — сильном нагреве и выдержке в серной кислоте, которые высвобождают ионы лития из минерала.

«Мы использовали термодинамическое моделирование, чтобы понять, как литийсодержащие минералы могут взаимодействовать с различными химическими веществами, а затем подтвердили эти прогнозы с помощью лабораторных экспериментов, — сказал Резаи. – Мы обнаружили, что при смешивании литийсодержащего минерала, называемого сподуменом, с гидроксидом натрия при относительно низких температурах минерал превращается в водорастворимые литийсодержащие фазы».

Они также исследовали возможность использования микроволновой обработки 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 образуется силикат натрия и лития — соединение, которое легко растворяется в воде при комнатной температуре. При добавлении воды литий вымывается примерно за минуту. Поскольку полученный раствор уже является щелочным, то есть некислым, он также устраняет необходимость в химических добавках, которые требуются при обычной экстракции лития для перехода от кислой среды к щелочной. Исследователи могут сразу же добавить соединение, которое отверждает литий, чтобы его можно было легко собрать.

По словам Резаи, этот процесс также может использоваться для извлечения лития и двух других важнейших минералов — рубидия и цезия, которые используются в электронике, квантовых вычислениях, солнечных батареях, атомных часах, спутниковых навигационных системах, аккумуляторах и даже в качестве ракетного топлива, — из лепидолита, ещё одной горной породы. Он также может использоваться для извлечения лития из глинистых пород.

Сейчас команда работает над масштабированием своего подхода и совершенствованием процесса для промышленного применения.

Источник: Tech Xplore