Ei mingit kaevandamist: liitiumit saab ka kuumaveeallikast sellise masina abil

Kuumaveeallikas Yellowstone rahvuspargis. Foto: Wikimedia Commons

Teadlaste meeskond Rice'i ülikoolist, Ameerika Ühendriikidest, on välja töötanud uuendusliku elektrokeemilise reaktori, mis võimaldab looduslikest soolveelahustest liitiumi eraldada. See uus lähenemine pakub paljutõotavat lahendust kasvava liitiuminõudluse rahuldamiseks, mis on ülioluline akude tootmises.

See leiutis omab märkimisväärset potentsiaali taastuvenergia salvestamiseks ja elektrisõidukite jaoks.

Kuumaveeallikate jõud

Liitium on oluline komponent nii taastuvenergia salvestamiseks akudes kui ka elektrisõidukites, kuid traditsioonilistel liitiumi kaevandamise meetoditel on mitmeid probleeme, sealhulgas suur energiakulu ja keerukus liitiumi eraldamisel teistest elementidest. Looduslikud soolveed – soolane vesi geotermaalsetes keskkondades – on muutunud atraktiivseks liitiumiallikaks, kuna traditsiooniliste maakihtide allikate kaevandamine on üha raskem ja kulukam.

Need soolveed sisaldavad lisaks liitiumile ka teisi ioone, nagu naatrium, kaalium, magneesium ja kaltsium, millel on liitiumiga sarnased keemilised omadused, mistõttu on nende efektiivne eraldamine keeruline. Liitiumi ja teiste ioonide sarnasus nii suuruse kui ka laengu poolest muudab traditsiooniliste eraldusmeetodite jaoks kõrge selektiivsuse saavutamise keeruliseks, mis omakorda toob kaasa täiendava energiakulu ja kemikaalijäätmeid.

Lisaks on soolvees kõrge kloriidioonide kontsentratsioon, mis võib traditsioonilistes elektrokeemilistes protsessides tekitada ohtlikku kloorigaasi, lisades seega keerukust ja ohutusriske eraldamisprotsessi.

Elektrokeemiline reaktor

Rice'i ülikooli inseneride meeskond on nende probleemide lahendamiseks välja töötanud uudse kolmekambrilise elektrokeemilise reaktori, mis parandab nii liitiumi eraldamise selektiivsust kui ka efektiivsust. Erinevalt traditsioonilistest meetoditest sisaldab see uus reaktor keskmist kambrit, milles asub poorne tahke elektrolüüt – omamoodi omavahel ühendatud «kiirteede» võrgustik, mis kontrollib ioonide voolu soolvee läbimisel ja takistab soovimatuid reaktsioone.

Katioonide vahetusmembraan toimib tõkkena kloriidioonidele, vältides nende jõudmist elektroodini, kus nad võiksid kombineeruda ja tekitada kloorigaasi. Seeläbi vähenevad ohtlikud kõrvalsaadused miinimumini.

Peamine komponent, mis võimaldab kõrget selektiivsust, on spetsiaalne liitiumioone juhtiv klaaskeraamiline (lithium-ion conductive glass ceramic ehk LICGC) membraan elektrolüsaatori teisel küljel. See membraan võimaldab liitiumil läbi pääseda, blokeerides samal ajal teised ioonid. LICGC membraani kõrge ioonjuhtivus ja selektiivsus on efektiivsuse säilitamiseks kriitilise tähtsusega, kuna see vähendab oluliselt teiste ioonide, nagu kaalium, magneesium ja kaltsium, mõju.

Kuigi LICGC-membraane kasutatakse tavaliselt tahkis-liitiumioonakudes, on see liitiumi selektiivseks eraldamiseks mõeldud uus rakendus tõhus ja uudne viis materjali omaduste ärakasutamiseks.

97,5% puhtusastmega liitium

Reaktor on saavutanud muljetavaldava tulemuse, sealhulgas liitiumi puhtusastme 97,5%. See kõrge puhtus tähendab, et seade suudab tõhusalt eraldada liitiumi teistest ioonidest soolvees, mis on ülioluline kvaliteetse liitiumhüdroksiidi tootmiseks.

Lisaks vähendab uus reaktori disain märkimisväärselt gaasilise kloori tootmist, muutes protsessi ohutumaks ja keskkonnasõbralikumaks. Teadlased usuvad, et see võib olla murranguline liitiumi eraldamiseks keerulistest allikatest, nagu geotermaalsed soolveed.

Teine oluline leid puudutab reaktori stabiilsust ajas. Meeskond täheldas, et naatriumioonid, erinevalt kaaliumist, magneesiumist või kaltsiumist, kipuvad kogunema LICGC membraani pinnale. See kuhjumine takistas liitiumi transporti ja suurendas energiatarbimist. Kuigi see võib mõjutada liitiumi eraldamise efektiivsust, on teadlased leidnud meetodeid probleemi leevendamiseks. Nende hulka kuulub voolutugevuse vähendamine ning nad soovitavad, et edasine uurimistöö võiks keskenduda pinnakatete või vooluimpulsside kasutamisele reaktori optimeerimiseks.

See uurimus tähistab olulist sammu liitiumiga varustatuse tagamiseks taastuvenergia tehnoloogiate jaoks, pakkudes puhtamat ja potentsiaalselt kiiremat meetodit liitiumi eraldamiseks geotermaalsest soolveest.

Allikas: Interesting Engineering