Извлечение лития из воды: кристаллические мембраны устранили примеси

На фоне возросшего спроса на литий, который является основным компонентом аккумуляторов для электромобилей, учёные из лаборатории Элимелеха при Университете Райса представили метод его извлечения, способный перевернуть индустрию. Проведённые исследования показали почти идеальную селективность лития благодаря использованию твёрдотельных электролитов (ТЭ) в качестве мембранных материалов для выделения его из водных растворов. Эти структуры, создававшиеся для быстрой передачи ионов лития в твёрдотельных батареях без участия посторонних ионов или растворителей, достигли исключительного разделения ионов и воды благодаря своей жёсткой упорядоченной кристаллической решётке.

Данное открытие обещает стать прорывом в области устойчивого восстановления ресурсов, снижая зависимость от традиционных технологий добычи, которые потребляют много времени и наносят ущерб окружающей среде. «Важна не только увеличенная производительность, но и устойчивость вместе с экономической оправданностью», — отметил Менахем Элимелех, профессор гражданского и экологического инжиниринга, ведущий разработчик исследования.

Современные подходы к прямому извлечению лития из нетрадиционных источников — таких как пластовые воды при добыче нефти и газа, промышленные стоки или геотермальные рассолы — сталкиваются с проблемами селективности. Трудности возникают особенно при разделении лития и ионов, близких по размеру или заряду, таких как магний и натрий. Элимелех и его команда предложили кардинально новый метод, отличающийся от обычных нанопористых мембран. В то время как традиционные мембраны перемещают ионы через гидратированные нанопоры, ТЭ переносят ионы лития посредством «сухих» прыжков в упорядоченной кристаллической решётке.

«Это означает, что литий проходит через мембрану, тогда как другие ионы и даже вода задерживаются», — объяснил Сохум Патель, первый автор статьи. — Высокая селективность делает наш метод очень эффективным, так как энергия расходуется только на транспортировку целевых ионов».

В процессе эксперимента с электродиализом, где электрическое поле использовалось для направленного перемещения ионов через мембрану, ТЭ достигли практически стопроцентной селективности даже при высокой концентрации примесей. В продукте не обнаружены посторонние ионы — результат, недосягаемый для обычных мембран. Компьютерное моделирование и лабораторные тесты показали, что жёсткая кристаллическая решётка ТЭ исключает проникновение воды и более крупных ионов (натрий и магний), поскольку их заряд оказывается несовместимым с этой структурой.

Учёные выявили, что примесные ионы, хотя и не проникали сквозь ТЭ, уменьшали поток лития, блокируя места ионного обмена. Однако они считают, что с этой проблемой можно справиться путём дальнейшей разработки материалов.

С учётом ожидаемого дефицита лития, технологии на основе ТЭ могут стать ключевым фактором в устойчивом обеспечении различных отраслей — от автомобильной промышленности до возобновляемой энергетики.

Потенциал технологии не ограничивается лишь литием. «Селективные механизмы ТЭ могут послужить вдохновением для создания мембран, подходящих для извлечения других важных элементов, открывая новые возможности для материалов, способствующих сохранению ресурсов», — добавил Элимелех. Следующий этап — оптимизация мембран для применения в промышленной среде, что приблизит нас к переходу на «зелёную» энергетику будущего.

Источник: iXBT