I chimici dell’Oak Ridge National Laboratory del Dipartimento dell’Energia hanno inventato un modo più efficiente per estrarre il litio dai liquidi di scarto rilasciati da siti minerari, giacimenti petroliferi e batterie usate. Hanno dimostrato che un minerale comune può assorbire almeno cinque volte più litio di quello che può essere raccolto utilizzando materiali adsorbenti sviluppati in precedenza.
"È un processo a basso costo e ad alto assorbimento di litio", ha affermato Parans Paranthaman, membro aziendale dell'ORNL e membro della National Academy of Inventors con 58 brevetti rilasciati. Ha condotto l'esperimento di prova con Jayanthi Kumar, un chimico dei materiali dell'ORNL con esperienza nella progettazione, sintesi e caratterizzazione di materiali stratificati.
"Il vantaggio principale è che funziona in un intervallo di pH più ampio, compreso tra 5 e 11, rispetto ad altri metodi di estrazione diretta del litio", ha affermato Paranthaman. Il processo di estrazione senza acidi avviene a 140 gradi Celsius, rispetto ai metodi tradizionali che arrostiscono i minerali estratti a 250 gradi Celsius con acido o da 800 a 1000 gradi Celsius senza acido.
Il team ha richiesto un brevetto per l'invenzione.
Il litio è un metallo leggero comunemente utilizzato nelle batterie ricaricabili e ad alta densità di energia. I veicoli elettrici, necessari per raggiungere l’obiettivo di zero emissioni nette entro il 2050, si affidano a batterie agli ioni di litio. A livello industriale, il litio viene estratto da salamoie, rocce e argille. L'innovazione ORNL può contribuire a soddisfare la crescente domanda di litio rendendo le fonti nazionali commercialmente valide.
La ricerca rivela un percorso di allontanamento dallo status quo:un’economia lineare in cui i materiali provenienti dall’estrazione, dalla raffinazione o dal riciclaggio vengono trasformati in prodotti che, alla fine della loro vita, vengono scartati come rifiuti. Il lavoro si muove verso un'economia circolare in cui i materiali vengono mantenuti in circolazione il più a lungo possibile per ridurre il consumo di risorse vergini e la generazione di rifiuti.
L'invenzione ORNL si basa sull'idrossido di alluminio, un minerale abbondante nella crosta terrestre. Gli scienziati hanno utilizzato come assorbente l'idrossido di alluminio, un materiale che assorbe un altro materiale, in questo caso il solfato di litio, e lo trattiene.
In un processo chiamato litiazione, una polvere di idrossido di alluminio estrae gli ioni di litio da un solvente per formare una fase stabile a doppio idrossido stratificato, o LDH. Quindi, nella delitiazione, il trattamento con acqua calda fa sì che l'LDH rilasci gli ioni di litio e rigeneri l'assorbente. Durante la rilitazione, l'assorbente viene riutilizzato per estrarre più litio. "Questa è la base per un'economia circolare", ha affermato Paranthaman.
La ricerca è pubblicata sulla rivista ACS Applied Materials &Interfaces . Un secondo articolo correlato, pubblicato contemporaneamente su The Journal of Physical Chemistry C , ha esplorato la stabilità della delitiazione in varie condizioni.
L'idrossido di alluminio esiste in quattro polimorfi cristallini altamente ordinati e in una forma amorfa o disordinata. Si scopre che la forma gioca un ruolo importante nella funzione dell'assorbente.
Kumar si recò all'Arizona State University per lavorare con Alexandra Navrotsky per misurare la termodinamica delle reazioni chimiche. Bruce Moyer, membro aziendale dell'ORNL, rinomato esperto in scienza e tecnologia della separazione, ha fornito informazioni dettagliate sugli esperimenti cinetici.
"Sulla base delle misurazioni calorimetriche, abbiamo appreso che l'idrossido di alluminio amorfo è la forma meno stabile tra gli idrossidi di alluminio e quindi è altamente reattivo", ha affermato Kumar. "Questa è stata la chiave di questo metodo che ha portato a una maggiore capacità di estrazione del litio."
Poiché l'idrossido di alluminio amorfo è la meno stabile tra le forme del minerale, reagisce spontaneamente con il litio proveniente dalla salamoia lisciviata dalle argille di scarto. "Solo quando abbiamo effettuato le misurazioni ci siamo resi conto che la forma amorfa è molto, molto, molto meno stabile. Ecco perché è più reattiva", ha detto Kumar. "Per ottenere stabilità, reagisce molto rapidamente rispetto ad altre forme."
Kumar sta ottimizzando il processo mediante il quale l'assorbente assorbe selettivamente il litio da liquidi contenenti litio, sodio e potassio e continua a formare solfato LDH.
Presso il Center for Nanophase Materials Sciences, una struttura utilizzata dal DOE Office of Science presso l'ORNL, i ricercatori hanno utilizzato la microscopia elettronica a scansione per caratterizzare la morfologia dell'idrossido di alluminio durante la litiazione. È uno strato neutro carico che contiene posti vacanti atomici o minuscoli buchi. Il litio viene assorbito in questi siti. La dimensione di questi posti vacanti è la chiave della selettività dell'idrossido di alluminio per il litio, che è uno ione o catione con carica positiva.
"Quel sito vuoto è così piccolo che può contenere solo cationi delle dimensioni del litio", ha detto Kumar. "Il sodio e il potassio sono cationi con raggi più grandi. I cationi più grandi non si adattano al sito vuoto. Tuttavia, è un abbinamento perfetto per il litio."
La selettività dell'idrossido di alluminio amorfo per il litio si traduce in un'efficienza quasi perfetta. In un unico passaggio, il processo ha catturato 37 milligrammi di litio per grammo di assorbente recuperabile, circa cinque volte di più di una forma cristallina di idrossido di alluminio chiamata gibbsite, precedentemente utilizzata per l'estrazione del litio.
La prima fase della litiazione estrae l'86% del litio presente nel percolato, o salamoia, da siti minerari o giacimenti petroliferi. Facendo passare il percolato attraverso l'assorbente amorfo di idrossido di alluminio una seconda volta si raccoglie il resto del litio. "In due passaggi è possibile recuperare completamente il litio", ha affermato Paranthaman.
Venkat Roy e Fu Zhao della Purdue University hanno analizzato i vantaggi del ciclo di vita di un’economia circolare derivanti dall’estrazione diretta del litio. Hanno confrontato il processo ORNL con un metodo standard che utilizza carbonato di sodio. Hanno scoperto che la tecnologia ORNL utilizzava un terzo del materiale e un terzo dell'energia e di conseguenza generava meno emissioni di gas serra.
Successivamente, i ricercatori vogliono estendere il processo per estrarre più litio e rigenerare l’assorbente in una forma specifica. Ora, quando l'assorbente amorfo di idrossido di alluminio reagisce con il litio e viene successivamente trattato con acqua calda per rimuovere il litio e rigenerare l'assorbente, il risultato è un cambiamento strutturale nel polimorfo dell'idrossido di alluminio da amorfo a una forma cristallina chiamata bayerite.
"La forma bayerite è meno reattiva", ha detto Kumar. "Ci vuole più tempo - 18 ore - o litio più concentrato per reagire, a differenza della forma amorfa, che reagisce entro 3 ore per raccogliere tutto il litio dalla soluzione di percolato. Dobbiamo trovare un percorso per tornare indietro alla fase amorfa, che sappiamo essere altamente reattiva."
Il successo nell’ottimizzazione del nuovo processo in termini di velocità ed efficienza di estrazione potrebbe rappresentare un punto di svolta per la fornitura nazionale di litio. Più della metà delle riserve terrestri di litio del mondo si trovano in luoghi in cui la concentrazione di minerali disciolti è elevata, come il Salton Sea in California o i giacimenti petroliferi in Texas e Pennsylvania.
"A livello nazionale, non abbiamo una vera produzione di litio", ha detto Paranthaman. "Meno del 2% del litio destinato alla produzione proviene dal Nord America. Se possiamo utilizzare il nuovo processo ORNL, abbiamo varie fonti di litio in tutti gli Stati Uniti. L'assorbente è così buono che puoi usarlo per qualsiasi salamoia o anche per soluzioni provenienti da batterie agli ioni di litio riciclate."
Ulteriori informazioni: K. Jayanthi et al, Sistema integrato modello di economia circolare per l'estrazione diretta del litio:dai minerali alle batterie che utilizzano idrossido di alluminio, Materiali e interfacce applicati ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12070
K. Jayanthi et al, Effetto degli anioni sulla delitiazione di idrossidi doppi stratificati [Li-Al]:approfondimenti termodinamici, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05676
Informazioni sul giornale: Giornale di chimica fisica C , Materiali e interfacce applicati a ACS
Fornito da Oak Ridge National Laboratory
