Revolutionaire membraantechnologie haalt lithium uit water

Argonne National Laboratory, Lemont, IL, en Universiteit van Chicago, IL

H-vormige cel voor het bestuderen van membraantransportgedrag:de ene helft heeft een zoutwatermengsel (blauwe vloeistof), de andere helft vertoont resultaat na membraanscheiding (heldere vloeistof). Van links naar rechts:Seth Darling en Yining Liu. (Afbeelding:Nationaal Laboratorium Argonne)

Lithium, het lichtste metaal op het periodiek systeem, speelt een cruciale rol in het moderne leven. Het lage gewicht en de hoge energiedichtheid maken hem ideaal voor elektrische voertuigen, mobiele telefoons, laptops en militaire technologieën waarbij elk grammetje telt. Terwijl de vraag naar lithium omhoog schiet, groeien de zorgen over het aanbod en de betrouwbaarheid.

Om te helpen voldoen aan de stijgende vraag en mogelijke problemen met de toeleveringsketen, hebben wetenschappers van het Argonne National Laboratory van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een innovatieve membraantechnologie ontwikkeld die lithium op efficiënte wijze uit water haalt. Verschillende teamleden hebben ook gezamenlijke afspraken met de Pritzker School of Molecular Engineering (PME) van de Universiteit van Chicago.

“Het nieuwe membraan dat we hebben ontwikkeld biedt een potentieel goedkoop en overvloedig alternatief voor lithiumextractie hier thuis”, zegt Seth Darling, Chief Science and Technology Officer van Argonne’s directoraat Advanced Energy Technologies. Hij is ook directeur van het Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center in Argonne en een PME Senior Scientist.

Op dit moment is het grootste deel van het lithium in de wereld afkomstig uit hardsteenmijnbouw en zoutmeren in slechts een paar landen, waardoor de toeleveringsketens kwetsbaar zijn voor ontwrichting. Toch is het grootste deel van het lithium op aarde feitelijk opgelost in zeewater en ondergrondse zoutwaterreserves. Het probleem? Het extraheren ervan uit deze onconventionele bronnen was onbetaalbaar, energieverslindend en inefficiënt. Traditionele methoden hebben moeite om lithium te scheiden van andere, meer voorkomende elementen zoals natrium en magnesium.

In zout water komen lithium en andere elementen voor als kationen. Dit zijn atomen die één of meer elektronen hebben verloren, waardoor ze een positieve elektrische lading hebben gekregen. De sleutel tot efficiënte lithiumextractie ligt in het filteren van de andere kationen op basis van zowel de grootte als de mate van lading.

Atoomstructuur van vermiculietmembraan met 2D-lagen ondersteund door pilaren van aluminiumoxide. Gele ballen zijn gedoteerd natriumion. (Afbeelding:Nationaal Laboratorium Argonne)

Het nieuwe membraan biedt een veelbelovende, goedkope oplossing. Het is gemaakt van vermiculiet, een natuurlijk overvloedige klei die slechts ongeveer $350 per ton kost. Het team ontwikkelde een proces om de klei in ultradunne lagen – slechts een miljardste van een meter dik – af te pellen en ze vervolgens opnieuw te stapelen om een ​​soort filter te vormen. Deze lagen zijn zo dun dat ze als 2D worden beschouwd.

Maar er was een probleem:onbehandeld vallen de kleilagen in water binnen een half uur uit elkaar vanwege hun sterke affiniteit ermee.

Om dit probleem op te lossen plaatsten onderzoekers microscopisch kleine pilaren van aluminiumoxide tussen de lagen, waardoor de structuur het uiterlijk kreeg van een hoge parkeerplaats in aanbouw – met veel massieve pilaren die elke ‘vloer’ op zijn plaats hielden. Deze architectuur voorkomt instorting en neutraliseert de negatieve oppervlaktelading van het membraan, een cruciale stap voor latere aanpassingen.

Vervolgens werden natriumkationen in het membraan geïntroduceerd, waar ze zich rond de aluminiumoxidepilaren nestelden. Hierdoor veranderde de oppervlaktelading van het membraan van neutraal naar positief. In water hebben zowel magnesium- als lithiumionen een positieve lading, maar magnesiumionen hebben een hogere lading (+2) vergeleken met lithium (+1). Het positief geladen oppervlak van het membraan stoot de hoger geladen magnesiumionen krachtiger af dan de lithiumionen. Door dit verschil kan het membraan gemakkelijker lithiumionen opvangen terwijl magnesiumionen buiten worden gehouden.

Om de prestaties nog verder te verfijnen, heeft het team nog meer natriumionen toegevoegd. Hierdoor werd de poriegrootte van het membraan kleiner. Het resultaat is dat het membraan de kleinere ionen zoals natrium en kalium doorlaat, terwijl de grotere lithiumionen worden opgevangen.

“Door te filteren op zowel de ionengrootte als de lading kan ons membraan lithium met veel grotere efficiëntie uit het water halen”, zegt eerste auteur Yining Liu, een Ph.D. kandidaat bij UChicago en lid van het AMEWS-team. “Een dergelijk membraan zou onze afhankelijkheid van buitenlandse leveranciers kunnen verminderen en de deur kunnen openen voor nieuwe lithiumreserves op plaatsen waar we nooit aan gedacht hadden.”

De onderzoekers geloven dat deze doorbraak bredere toepassingen zou kunnen hebben, van het terugwinnen van andere belangrijke materialen zoals nikkel, kobalt en zeldzame aardelementen tot het verwijderen van schadelijke verontreinigingen uit watervoorzieningen.

"Er zijn veel soorten van dit kleimateriaal", zei Liu. “We onderzoeken hoe het kan helpen bij het verzamelen van cruciale elementen uit zeewater en pekelwater, of zelfs bij het zuiveren van ons drinkwater.”

Neem voor meer informatie contact op met Dit e-mailadres wordt beschermd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien. of Seth Darling op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..