Revolutionaire Membraantechnologie Wint Lithium Uit Water

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

H-vormige cel voor het bestuderen van membraantransportgedrag — de ene helft heeft een zoutwater mengsel (blauwe vloeistof), de andere toont resultaat na membraanscheiding (heldere vloeistof). Links naar rechts: Seth Darling en Yining Liu. (Afbeelding: Argonne National Laboratory)

Lithium, het lichtste metaal op het periodieke systeem, speelt een cruciale rol in modern leven. Het lage gewicht en hoge energiedichtheid maken het ideaal voor elektrische voertuigen, mobiele telefoons, laptops en militaire technologieën waar elke ons telt. Naarmate de vraag naar lithium in de hoogte schiet, groeien zorgen over voorraad en betrouwbaarheid.

Om te helpen aan de stijgende vraag en mogelijke supply-chain problemen te tegemoet te komen, hebben wetenschappers bij het U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory een innovatieve membraantechnologie ontwikkeld die efficiënt lithium uit water extraheert. Verschillende teamleden hebben ook gezamenlijke afspraken met de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) aan de University of Chicago.

"De nieuwe membraan die we ontwikkeld hebben biedt een potentiële laag-kost en rijke alternatief voor lithium extractie hier thuis," zei Seth Darling, Chief Science and Technology Officer voor Argonne's Advanced Energy Technologies directoraat. Hij is ook Directeur van het Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center bij Argonne en een PME Senior Scientist.

Op dit moment komt het merendeel van de wereldwijde lithium uit hard-gesteente mijnbouw en zoutmeren in slechts een paar landen, wat supply chains kwetsbaar maakt voor storing. Toch is het merendeel van de aardse lithium eigenlijk opgelost in zeewater en ondergrondse zoutwaterreserves. Het probleem? Het extraheren ervan uit deze onconventionele bronnen is prohitief duur, energie-intensief en inefficiënt. Traditionele methoden worstelen om lithium te scheiden van andere, meer abundante elementen zoals natrium en magnesium.

In zoutwater bestaan lithium en andere elementen als kationen. Dit zijn atomen die een of meer elektronen verloren hebben, wat hen een positieve elektrische lading geeft. De sleutel tot efficiënte lithium extractie ligt in het filteren van de andere kationen gebaseerd op zowel grootte als ladinggraad.

Atoomstructuur van vermiculiet membraan tonend 2D lagen ondersteund door aluminiumoxide pijlers. Gele ballen zijn gedopte natriumionen. (Afbeelding: Argonne National Laboratory)

De nieuwe membraan biedt een veelbelovende laag-kost oplossing. Het is gemaakt van vermiculiet, een van nature rijk klei die slechts ongeveer $350 per ton kost. Het team ontwikkelde een proces om de klei in ultradunne lagen te scheuren — net een miljardste meter dik — en ze dan te herstapelen om een soort filter te vormen. Deze lagen zijn zo dun dat ze als 2D beschouwd worden.

Maar er was een haken: Onbehandeld, vallen de kleilagen in water binnen een half uur uit elkaar vanwege hun sterke affiniteit ervoor.

Om dit probleem op te lossen, voegden onderzoekers microscopische aluminiumoxide pijlers tussen de lagen, wat de structuur het uiterlijk gaf van een hoogbouw parkeergarage onder constructie — met veel zachte pijlers die elke "verdieping" op zijn plek houden. Deze architectuur voorkomt instorting terwijl het de negatieve oppervlaktelading van de membraan neutraliseert, een cruciale stap voor daaropvolgende modificaties.

Daarna werden natriumkationen in de membraan geïntroduceerd, waar ze zich vestigden rond de aluminiumoxide pijlers. Dit veranderde de membraanoppervlaktelading van neutraal naar positief. In water dragen zowel magnesium- als lithiumionen een positieve lading, maar magnesiumionen dragen een hogere lading (+2) vergeleken met lithium's (+1). De positief geladen oppervlakte van de membraan weert de hoger geladen magnesiumionen krachtiger af dan de lithiumionen. Dit verschil stelt de membraan in staat om lithiumionen gemakkelijker op te vangen terwijl magnesiumionen buiten blijven.

Om de prestaties verder te verfijnen, voegde het team nog meer natriumionen toe. Dit verkleinde de poriegrootte van de membraan. Het resultaat is dat de membraan de kleinere ionen zoals natrium en kalium doorlaat terwijl de grotere lithiumionen worden gevangen.

"Filteren op zowel ionengrootte als lading, kan onze membraan lithium uit water trekken met veel grotere efficiëntie," zei eerste auteur Yining Liu, een Ph.D. kandidaat aan UChicago en lid van het AMEWS team. "Zo een membraan zou onze afhankelijkheid van buitenlandse leveranciers kunnen verminderen en de deur openen naar nieuwe lithiumreserves op plekken die we nooit overwogen."

De onderzoekers geloven dat deze doorbraak bredere toepassingen kan hebben, van het herwinnen van andere sleutelmaterialen zoals nikkel, kobalt en zeldzame aardse elementen, tot het verwijderen van schadelijke contaminanten uit watervoorzieningen.

"Er zijn veel typen van deze kleimateriaal," zei Liu. "We verkennen hoe het kan helpen kritieke elementen uit zeewater en zoutmeerbrines te verzamelen of zelfs helpen ons drinkwater te zuiveren."

Voor meer informatie, contacteer dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. Je hebt JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien. of Seth Darling op dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. Je hebt JavaScript ingeschakeld om het te kunnen zien.