В мире существует ненасытный спрос на литий, он же «белое золото», металл, критически важный для аккумуляторов электромобилей, и значительная его часть теперь поступает из гигантских испарительных прудов в таких местах, как Чили, Аргентина и Боливия. Компании закачивают соленые, содержащие литий рассолы из подземных водоносных горизонтов в огромные неглубокие бассейны и ждут, пока Солнце испарит большую часть воды, концентрируя ионы лития. Затем они смешивают химикаты, которые заставляют литий выпадать в осадок в виде твердого карбоната лития.
Такой подход может быть более прибыльным, чем добыча лития из горных пород, но солнечное испарение может занять больше года, а пруды раскинулись на сотни квадратных километров в хрупких пустынях и требуют больших затрат на строительство и обслуживание.
Теперь исследователи пытаются заменить солнечный свет электричеством. Ряд недавних лабораторных результатов подкрепляет перспективу очистки лития на объектах с гораздо меньшими следами, чем испарительные пруды, и использования других видов рассолов с более низкой концентрацией лития, включая сточные воды от нефтяных и газовых операций и соленых озер. «Если мы сможем сделать это быстрее, эффективнее и потреблять меньше энергии, то лития будет достаточно для всех наших нужд», — говорит Лиза Бисвал, инженер-химик из Университета Райса, которая работает над одной из схем. «Многие из этих технологий находятся на ранней стадии», — добавляет химик из Райса Хаотиан Ван. «Но они начинают демонстрировать свой коммерческий потенциал».
Электрический подход обычно основан на двух камерах, одна из которых заполнена исходным рассолом, а другая — чистой водой. Каждая имеет электрод, и камеры разделены мембраной, которая пропускает только определенные ионы. Ток, подаваемый на электрод в водной камере, расщепляет молекулы воды, производя газообразный водород и отрицательно заряженные гидроксид-ионы, которые притягивают положительно заряженные ионы лития в рассоле, протягивая их через мембрану. Тем временем на соленой стороне вода теряет электроны на электроде, генерируя газообразный кислород. Шаги можно повторять в последовательных ячейках, пока литий на водной стороне не будет достаточно сконцентрирован, чтобы выпасть в осадок.
Идея не нова, но у нее есть проблемы. Установка потребляет много электроэнергии, большая часть которой уходит на реакцию образования кислорода. «Кислородная реакция очень медленная», — говорит Ге Чжан, инженер-химик из Стэнфордского университета. Еще один недостаток заключается в том, что ионы хлора из соли в соляной камере также медленно реагируют на электроде, образуя газообразный хлор — опасный яд.
Исследователи под руководством Чжана и И Цуя, материаловеда из Стэнфорда, сообщили об изменении установки, которое облегчает эти проблемы, в выпуске Matter. Когда литий втягивается в водяную камеру их устройства, исследователи улавливают полученный водородный газ и направляют его в соленую сторону, в которую добавлен гидроксид натрия, дешевый состав, используемый при изготовлении мыла. Добавка выделяет гидроксид-ионы, которым требуется лишь небольшая разница напряжений для реакции с введенным водородом с образованием воды. Это снижает потребность в электроэнергии всего процесса на 80% и предотвращает образование кислорода в первую очередь.
Быстрая реакция также предотвращает более медленный процесс, который образует газообразный хлор. «Это плодотворный путь для спуска», — говорит Сет Дарлинг, химик по энергетическим технологиям в Аргоннской национальной лаборатории. Но он отмечает, что эта первоначальная лабораторная демонстрация работает с синтетическим рассолом, который отличается от химически сложных рассолов в реальном мире.
Трехкамерная установка, о которой Бисвал и ее коллеги сообщили в Proceedings of the National Academy of Sciences, также подавляет производство хлора. Они помещают соляную камеру между двумя камерами с чистой водой, каждая из которых содержит электрод и отделена от соляного раствора мембраной. Бисвал объясняет, что при подаче тока ионы лития концентрируются в одной из водных камер, в то время как мембраны удерживают ионы хлорида в центральной соляной камере, не давая им сталкиваться с электродами в водных камерах и образовывать газообразный хлор.
Команда Куи испробовала несколько способов получения лития электрическим способом, и другая из их схем, описанная в Nature Water, на самом деле генерирует, а не потребляет электричество. Они начали с двух пористых серебряных электродов и традиционной двухкамерной установки. Но перед тем, как установить электроды, они окунули один в рассол, ожидая, пока ионы хлорида проникнут в поры электрода и прореагируют, образовав твердый хлорид серебра. После того, как электрод был заполнен хлоридом серебра, его переместили в камеру с чистой водой.
Затем оставшийся простой серебряный электрод вставлялся в солевую камеру, и они оба соединялись внешним проводом. На соленой стороне ионы хлора снова перемещались и связывались с серебряным электродом, отдавая электроны, которые текли к электроду на водной стороне. Там они реагировали с хлоридом серебра, высвобождая отрицательно заряженные ионы хлора, которые притягивали ионы лития через мембрану. Установка очищала литий примерно в два раза медленнее, чем в их статье Matter, но она делала это, вырабатывая электричество, что повышало перспективу того, что извлечение лития может однажды стать процессом с отрицательным выбросом углерода. «Это очень умная и инновационная конструкция», — говорит Ван.
Исследователи под руководством Чжипин Лая, химика из Научно-технологического университета имени короля Абдаллы (KAUST), сообщают о тестировании аналогичного подхода в гораздо большем масштабе в Science. Вместо использования серебряных электродов они используют электроды из фосфата железа, обычного материала электродов в литиевых батареях. Хотя их установка не производит чистого электричества, они уже продемонстрировали пилотную версию в 100 000 раз больше, чем типичное настольное устройство. «Это очень многообещающий результат», — говорит Чжан.
Лай говорит, что команда KAUST работает с нефтяным гигантом Saudi Aramco над созданием коммерческой версии его реактора, который, начиная со следующего года, будет очищать литий из сточных вод, полученных из нефтяных скважин. Если технология окажется жизнеспособной там, та же химия должна сделать экономически выгодным извлечение лития из более разбавленных источников, таких как соляные озера по всему миру. «Это изменило бы правила игры», — говорит Лай.
