Un'idea intelligente di utilizzare nanoparticelle magnetiche per catturare materiali preziosi dalle salamoie è sbocciata in progetti pilota su scala industriale che potrebbero aiutare a rendere gli Stati Uniti un produttore di minerali critici utilizzati nell'elettronica e nella produzione di energia. Oggi, la maggior parte di questi minerali sono ottenuti da fonti internazionali, molte delle quali sono regioni ad alto conflitto.

La tecnologia in attesa di brevetto, sviluppato presso il Pacific Northwest National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti, è stato concesso in licenza esclusivamente da Moselle Technologies, una start-up che sta sperimentando la tecnologia in diverse località statunitensi e internazionali.

Insieme, PNNL e Moselle hanno gareggiato con successo per il finanziamento dello sviluppo tecnologico, tra cui due Cooperative Research and Development Awards e un premio 2021 DOE Advanced Manufacturing Office, per far avanzare il processo di acquisizione di elementi strategicamente importanti dalle fonti idriche.

La nanoparticella centrale è costituita da una forma di ossido di ferro meglio conosciuta come magnetite. Questa particella centrale viene utilizzata per ancorare il guscio adsorbente che lega selettivamente i composti di interesse. Questa è la chiave della tecnologia brevettata. Le nanoparticelle possono essere introdotte in salamoie da impianti geotermici, acqua prodotta, effluente minerario di estrazione mineraria, e acqua di mare, dove si agganciano a composti bersaglio fluttuanti. Quando esposto a un magnete, il nucleo di ferro della nanoparticella si comporta come la limatura di ferro nel classico esperimento scientifico:migrano verso il magnete, insieme al materiale critico a cui sono legati, e può essere filtrato dalla salamoia. La tecnologia viene adattata per la cattura del litio, un metallo leggero e versatile forse meglio conosciuto per i suoi ruoli nella tecnologia delle batterie.

"Approcci attuali per l'estrazione del litio dall'acqua, Per esempio, richiedono una fase di lavorazione che pompa grandi volumi di acqua, migliaia di galloni al minuto, attraverso un sistema di filtrazione a scambio ionico, rendendolo sia ad alta intensità energetica che costoso, " ha detto Pete McGrail, Collaboratore di laboratorio PNNL ed esperto riconosciuto sulla tecnologia di recupero dei metalli delle terre rare. "Il nostro processo di nanotecnologia ci consente di miniaturizzare tutto ed elimina la necessità di enormi separatori a scambio ionico richiesti in altri processi. È abbastanza semplice. In pochi minuti, praticamente tutto il litio è stato estratto dalla soluzione da collisioni molecolari con il nostro assorbente e può quindi essere rimosso con un magnete dove viene facilmente raccolto e purificato".

"Le persone hanno perso molti soldi cercando di raccogliere il litio, ", ha affermato Jerry Mills, CEO di Moselle Technologies. "Abbiamo bisogno di un altro modo per farlo. Stavamo cercando la tecnologia più economica per produrre elementi delle terre rare ed elementi strategicamente importanti come il litio. Per molti di questi, gli Stati Uniti hanno poca o nessuna produzione. Faremo del nostro meglio per risolvere questo problema. Riteniamo che questa tecnologia ci consentirà di superare l'ostacolo dei costi".

Approvvigionamento di minerali critici a casa

Litio, nichel, il cobalto e gli elementi delle terre rare sono molto richiesti dai produttori di semiconduttori e turbine eoliche, così come le batterie utilizzate nei veicoli elettrici e in altre tecnologie di energia verde. Ma attualmente, la catena di approvvigionamento globale per questi elementi si basa fortemente su processi di estrazione datati che sono ad alta intensità energetica, consumare molta acqua, e creare rifiuti tossici. Le importazioni rappresentano il 100% della fornitura degli Stati Uniti per 14 dei 35 materiali critici e più della metà di altri 17, secondo il Dipartimento dell'Energia, che ha reso l'approvvigionamento domestico una priorità assoluta. Questa tecnologia PNNL, nello sviluppo di laboratorio per diversi anni, è ora pronto per il test sul campo.

Progetti pilota lanciati nella primavera del 2021

Uno dei progetti pilota previsti combina le risorse dell'industria petrolifera e del gas con la tecnologia del PNNL.

"Le salamoie di petrolio e gas sono una risorsa nazionale non sfruttata di litio, " ha detto McGrail.

L'estrazione di petrolio e gas negli Stati Uniti e in Canada pompa l'acqua sotterranea in superficie come parte del processo di estrazione. Il litio è presente in gran parte di quest'acqua, su una vasta gamma di località. Gli scienziati del PNNL stimano che se fosse raccolto solo il 25% del litio nell'acqua prodotta attraverso l'estrazione di petrolio e gas, sarebbe uguale alla produzione mondiale annua attuale. Per esplorare questa possibilità, PNNL, Tecnologie della Mosella, Canada Natural Resources Limited e Conoco Phillips Corporation condurranno un test prolungato a Richland del PNNL, Lavare., città universitaria. Là, il team metterà alla prova la tecnologia sottoponendola a test a ciclo esteso con il sistema di separazione magnetica, un passo necessario per la produzione industriale su vasta scala.

"Utilizzando le nanoparticelle magnetiche per attaccarsi alle particelle di litio in soluzione, ci aspettiamo che il concentrato risultante sia in una forma più pura, riducendo così il costo dell'ulteriore elaborazione, ", ha detto Mills. "E questo porterà a più della metà del costo."

Un secondo progetto, che è stato annunciato a gennaio dopo un processo di candidatura competitivo, sarà finanziato attraverso un premio DOE Advanced Manufacturing Office FY20. In questo progetto, le società Enerplus Corporation, Prairie Lithium Corporation, Enertopia Corporation e Dajin Lithium Corporation studieranno la tecnologia per una potenziale applicazione nelle miniere di litio in Nevada e Canada. I lavori sono stati approvati e inizieranno nella primavera del 2021.

Più del litio

il pulito, la tecnologia non inquinante potrebbe essere utilizzata anche per il recupero di altri materiali critici. Un terzo progetto di ricerca cooperativa esplorerà questa possibilità.

"Abbiamo sviluppato materiali assorbenti specifici per molti elementi, " dice McGrail. "In questo progetto, lavoreremo con la società geotermica neozelandese Geo40, che ha individuato il cesio presente nelle sue salamoie. In questo progetto, il team estenderà il lavoro svolto per recuperare il litio a nuovi assorbenti altamente selettivi per il cesio. In caso di successo, il gruppo vorrebbe costruire un impianto pilota in Nuova Zelanda.