خبرگزاري آريا – شيميدانان در آزمايشگاه ملي اوک ريج وزارت انرژي راه کارآمدتري براي استخراج ليتيوم از سيالات زائد شسته شده از معادن، ميادين نفتي و مورد استفاده ابداع کرده اند. باتری ها. آنها نشان دادند که یک ماده معدنی معمولی می تواند حداقل پنج برابر بیشتر از آنچه که با استفاده از مواد جاذب ساخته شده قبلی جمع آوری شود، لیتیوم را جذب کند.

پارانس پارانتامان، یکی از همکاران شرکت ORNL و عضو آکادمی ملی مخترعان با 58 پتنت صادر شده، گفت: “این یک فرآیند کم هزینه و با لیتیوم بالا است.” او آزمایش اثبات مفهوم را با Jayanthi Kumar، شیمیدان مواد ORNL با تخصص در طراحی، سنتز و خصوصیات مواد لایه ای رهبری کرد.

پارانتامان گفت: “مزیت اصلی این است که در محدوده pH وسیع تری از 5 تا 11 در مقایسه با سایر روش های استخراج مستقیم لیتیوم کار می کند.” فرآیند استخراج بدون اسید در دمای 140 درجه سانتیگراد انجام می شود، در مقایسه با روشهای سنتی که مواد معدنی استخراج شده را در دمای 250 درجه سانتیگراد با اسید یا 800 تا 1000 درجه سانتیگراد بدون اسید برشته می کنند.

این تیم برای ثبت اختراع اقدام کرده است اختراع.

لیتیوم یک فلز سبک است که معمولا در باتری های انرژی بر و قابل شارژ استفاده می شود باتری ها. خودروهای الکتریکی که برای دستیابی به آلایندگی صفر تا سال 2050 مورد نیاز هستند، به لیتیوم یون متکی هستند. باتری ها. به طور صنعتی، لیتیوم از آب نمک، سنگ و خاک رس استخراج می شود. نوآوری ORNL می تواند به برآورده ساختن تقاضای فزاینده برای لیتیوم با ایجاد منابع محلی از نظر تجاری قابل دوام کمک کند.

این تحقیق راهی برای خروج از وضعیت موجود نشان می دهد: اقتصاد خطی که در آن مواد معدنی، پالایش یا بازیافت به محصولاتی تبدیل می شوند که در پایان عمر خود به عنوان زباله دور ریخته می شوند. کار به سمت یک اقتصاد دایره ای حرکت می کند که در آن مواد تا زمانی که ممکن است در گردش نگه داشته می شوند تا مصرف منابع خام و تولید زباله کاهش یابد.

اختراع ORNL بر هیدروکسید آلومینیوم تکیه دارد، یک ماده معدنی که در پوسته زمین فراوان است. دانشمندان از هیدروکسید آلومینیوم به عنوان جاذب استفاده کردند که ماده ای است که ماده دیگری – در این مورد سولفات لیتیوم – را می گیرد و آن را نگه می دارد.

در فرآیندی به نام لیتیاسیون، پودر هیدروکسید آلومینیوم یون های لیتیوم را از یک حلال استخراج می کند تا یک فاز هیدروکسید دو لایه لایه ای پایدار یا LDH تشکیل دهد. سپس پس از جداسازی، تصفیه آب گرم باعث می شود LDH یون های لیتیوم را رها کرده و جاذب را بازسازی کند. در طول بازسازی مجدد، از جاذب برای استخراج لیتیوم بیشتر استفاده می شود. پارانتامان گفت: «این پایه و اساس یک اقتصاد دایره ای است.

تحقیق این است در مجله منتشر شده است مواد و رابط های کاربردی ACS. مقاله دوم مرتبط به طور همزمان در مجله شیمی فیزیک جپایداری جداسازی را در شرایط مختلف بررسی کرد.

هیدروکسید آلومینیوم در چهار پلی مورف کریستالی بسیار مرتب و یک فرم بی شکل یا بی نظم وجود دارد. به نظر می رسد که شکل نقش زیادی در عملکرد جاذب دارد.

کومار به دانشگاه ایالتی آریزونا سفر کرد تا با الکساندرا ناوروکی برای اندازه‌گیری ترمودینامیک واکنش‌های شیمیایی کار کند. همکار شرکت ORNL بروس مویر، یک متخصص مشهور در علم و فناوری جداسازی، بینشی از آزمایش‌های جنبشی ارائه کرد.

کومار گفت: «بر اساس اندازه‌گیری‌های کالریمتری، متوجه شدیم که هیدروکسید آلومینیوم آمورف کم‌پایدارترین شکل در بین هیدروکسیدهای آلومینیوم است و بنابراین واکنش‌پذیری بالایی دارد.» این کلید این روش بود که منجر به ظرفیت استخراج لیتیوم بیشتر شد.

از آنجایی که هیدروکسید آلومینیوم آمورف کمترین پایداری را در بین اشکال این ماده معدنی دارد، به طور خود به خود با لیتیوم از آب نمک شسته شده از خاک رس های زباله واکنش نشان می دهد. «تا زمانی که اندازه‌گیری‌ها را انجام دادیم، متوجه شدیم که فرم آمورف بسیار، بسیار، بسیار کمتر پایدار است. به همین دلیل است که واکنش بیشتری نشان می دهد. برای دستیابی به ثبات، در مقایسه با سایر اشکال بسیار سریع واکنش نشان می دهد.

کومار فرآیندی را بهینه کرد که در آن جاذب به طور انتخابی لیتیوم را از مایعات حاوی لیتیوم، سدیم و پتاسیم جذب می‌کند و به تشکیل سولفات LDH ادامه می‌دهد.

در مرکز علوم مواد نانوفاز، یک مرکز کاربر دفتر علوم DOE در ORNL، محققان از میکروسکوپ الکترونی روبشی برای توصیف مورفولوژی هیدروکسید آلومینیوم در طول لیتیاسیون استفاده کردند. این یک لایه خنثی باردار است که حاوی جاهای خالی اتمی یا سوراخ های کوچک است. لیتیوم در این مکان ها جذب می شود. اندازه این جاهای خالی کلید انتخاب هیدروکسید آلومینیوم به لیتیوم است که یک یون یا کاتیون با بار مثبت است.

کومار می گوید: «این جای خالی آنقدر کوچک است که فقط می تواند کاتیون هایی به اندازه لیتیوم را در خود جای دهد. سدیم و پتاسیم کاتیون هایی با شعاع بزرگتر هستند. کاتیون های بزرگتر در فضای خالی جای نمی گیرند. با این حال، کاملاً برای لیتیوم مناسب است.

گزینش پذیری هیدروکسید آلومینیوم آمورف برای لیتیوم منجر به راندمان تقریباً عالی می شود. در یک مرحله، این فرآیند 37 میلی گرم لیتیوم در هر گرم جاذب قابل بازیافت را جذب کرد – تقریباً پنج برابر بیشتر. یک شکل کریستالی از هیدروکسید آلومینیوم به نام گیبسیت که قبلا استفاده شده بود برای استخراج لیتیوم مرحله اول لیتیاسیون 86 درصد لیتیوم موجود در شیرابه یا آب نمک را از سایت های معدن یا میادین نفتی استخراج می کند. عبور شیرابه از طریق جاذب آمورف هیدروکسید آلومینیوم برای بار دوم، بقیه لیتیوم را می گیرد. پارانتامان گفت: “در دو مرحله، می توانید لیتیوم را به طور کامل بازیابی کنید.”

ونکات روی و فو ژائو از دانشگاه پوردو، مزایای چرخه حیات اقتصاد حلقوی استخراج مستقیم لیتیوم را تجزیه و تحلیل کردند. آنها فرآیند ORNL را با یک روش استاندارد با استفاده از کربنات سدیم مقایسه کردند. آنها دریافتند که فناوری ORNL از یک سوم مواد و یک سوم انرژی استفاده می کند و متعاقباً انتشار گازهای گلخانه ای کمتری ایجاد می کند.

سپس محققان می‌خواهند این فرآیند را برای استخراج لیتیوم بیشتر و بازسازی جاذب به شکل خاصی افزایش دهند. اکنون، هنگامی که جاذب آمورف هیدروکسید آلومینیوم با لیتیوم واکنش داده و بعداً با آب داغ تصفیه می شود تا لیتیوم حذف شود و جاذب دوباره تولید شود، نتیجه تغییر ساختاری در پلی مورف هیدروکسید آلومینیوم از حالت آمورف به شکل بلوری به نام بایریت است.

کومار گفت: “شکل بایریت واکنش کمتری دارد.” واکنش یا بیشتر طول می کشد – 18 ساعت – یا لیتیوم غلیظ تر برای واکنش، بر خلاف شکل آمورف، که در عرض 3 ساعت واکنش نشان می دهد تا تمام لیتیوم را از محلول شستشو بگیرد. ما باید راهی برای بازگشت به فاز آمورف پیدا کنیم که می دانیم بسیار واکنش پذیر است.

موفقیت در بهینه سازی فرآیند جدید برای سرعت و کارایی استخراج می تواند قوانین تامین محلی لیتیوم را تغییر دهد. بیش از نیمی از ذخایر لیتیوم زمینی جهان در مکان هایی است که غلظت مواد معدنی محلول در آنها زیاد است، مانند دریای سالتون کالیفرنیا یا میادین نفتی تگزاس و پنسیلوانیا.

پارانتامان گفت: «در داخل کشور، ما واقعاً تولید لیتیوم نداریم. کمتر از 2 درصد لیتیوم برای تولید از آمریکای شمالی است. اگر بتوانیم از فرآیند جدید ORNL استفاده کنیم، منابع مختلفی از لیتیوم در ایالات متحده داریم. جاذب آن به قدری خوب است که می توانید از آن برای هر آب نمک یا حتی محلول های Li-ion بازیافتی استفاده کنید باتری ها“

برای مقاله اول، دفتر مواد پیشرفته و فناوری‌های ساخت DOE، که قبلاً دفتر فعالیت‌های تولیدی پیشرفته، زیر نظر دفتر بهره‌وری انرژی و انرژی‌های تجدیدپذیر یا EERE، تحقیقات اولیه را از طریق مرکز نوآوری مواد حیاتی یا CMI تأمین مالی کرد. برای تنوع بخشیدن به منابع، توسعه جایگزین، بهبود استفاده مجدد و بازیافت، و انجام تحقیقات افقی بر روی مواد حیاتی ایجاد شد. ORNL از زمانی که CMI در سال 2013 شروع به کار کرد، جهت استراتژیک را برای این مناطق ارائه کرده است. از سپتامبر 2023، دفتر فناوری های خودرو EERE از طریق ReCell، اولین مرکز تحقیق و توسعه بازیافت باتری، بودجه کار را تامین می کند.

برای مقاله دوم، دفتر مواد پیشرفته و فن‌آوری‌های ساخت DOE این تحقیق را از طریق CMI تامین مالی کرد. سنتز جاذب های LDH توسط دفتر فناوری زمین گرمایی EERE از طریق صندوق تجاری سازی فناوری پشتیبانی شد.

UT-Battelle ORNL را برای دفتر علوم DOE مدیریت می کند. دفتر علوم که بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است، برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به Energy.gov/science. – داون لوی