Літій ховається в морській воді. Нова двовимірна глиняна мембрана може бути ключем до його дешевого та ефективного видобутку. Забудьте про шахти, наступний літієвий ажіотаж може прийти з океану. Дослідники з Аргоннської національної лабораторії Міністерства енергетики США (DOE) та Чиказького університету розробили передову мембранну технологію, яка витягує літій із солоної води, що стало важливим проривом. Виготовлена з вермикуліту, недорогої та поширеної в природі глини, яка коштує лише близько $350 за тонну, нова мембрана фільтрує іони літію з надзвичайною ефективністю, пропонуючи потенційну вітчизняну альтернативу традиційному видобутку корисних копалин.
Видобуток без шахти
Більша частина літію у світі наразі надходить з кількох країн шляхом видобутку твердих порід або випаровування з солоних озер. Ці процеси не тільки дорогі та повільні, але й роблять глобальні ланцюги поставок вразливими. Однак величезна кількість літію розчинена в морській воді та підземних розсолах. Досі його видобуток з цих джерел був надзвичайно неефективним. Команда вчених з Аргонн-Учікаго розробила метод очищення вермикуліту від ультратонких листів, товщиною лише одну мільярдну частину метра, а потім їх повторного складання для створення щільного шаруватого фільтра. Листи настільки неймовірно тонкі, що їх класифікують як двовимірні матеріали.
Однак шари необробленої глини розпалися у воді протягом півгодини через свою сильну спорідненість з нею. Щоб вирішити цю проблему, дослідники покрили двовимірну глиняну мембрану мікроскопічними стовпчиками з оксиду алюмінію, надавши їй стабільну структуру, схожу на гараж. Така архітектура не лише зберігає мембрану цілою у воді, але й дозволяє їй фільтрувати іони на основі розміру та заряду, що є ключовим для відділення літію від схожих елементів, таких як магній та натрій.
Сила, прихована в розсолі
Далі дослідники наповнили мембрану катіонами натрію, які згрупувалися навколо стовпчиків оксиду алюмінію. Це змістило поверхневий заряд мембрани з нейтрального на позитивний. У солоній воді іони літію, і магнію заряджені позитивно, але магній несе вищий заряд (+2) порівняно з літієм (+1). Позитивно заряджена мембрана сильніше відштовхує сильніше заряджені іони магнію, дозволяючи іонам літію легше проходити, водночас не допускаючи проникнення магнію.
Щоб ще більше підвищити селективність, команда додала додаткові іони натрію, які звужували пористу структуру мембрани. Ця зміна дозволяє проходити меншим іонам, таким як натрій та калій, водночас вловлюючи літій з більшою точністю. Результатом є масштабований, недорогий метод фільтрації, який може розкрити невикористані запаси літію, що знаходяться вдосталь в океанах, підземних розсолах і навіть стічних водах.
«Фільтруючи як за розміром іонів, так і за зарядом, наша мембрана може витягувати літій з води з набагато більшою ефективністю», — сказав перший автор дослідження Їнін Лю, кандидат філософії в Чиказькому університеті та член команди AMEWS. «Така мембрана могла б зменшити нашу залежність від іноземних постачальників і відкрити двері до нових запасів літію в місцях, які ми ніколи не розглядали».
Значення мембрани виходить за рамки літію. Дослідники кажуть, що вона може допомогти відновити інші важливі мінерали, включаючи нікель, кобальт, рідкоземельні елементи, і навіть видалити шкідливі забруднювачі з питної води.
«Існує багато видів цього глинистого матеріалу», — сказав Лю. «Ми досліджуємо, як він може допомогти збирати критично важливі елементи з морської води та розсолів солоних озер або навіть допомогти очистити нашу питну воду».