Рис. 1. Установка непрерывной прокачки морской воды через электрический мембранный насос: (a) трёхкамерная ячейка для обогащения лития с одновременной генерацией H2 и Cl2 на катоде и аноде, соответственно; (b) фотография установки; (с) кристаллическая структура LLTO; (d) перколяция ионов лития через решётку LLTO; (e) мембрана LLTO стеклянного типа (≈20 мм в диаметре); (f) полый медный катод, с одной стороны покрытый катализатором Pt/Ru (тёмный на фото).
Литий — ключевой элемент современных аккумуляторов, на которых работает практически вся техника: от смартфонов до автомобилей. Но запасы этого металла на суше весьма ограничены. Если экстраполировать растущий спрос, то разведанных запасов хватит лишь до 2080 года.
Но все мы знаем, где находится самый большой резервуар золота, платины, лития и других редких элементов — это Мировой океан. Химики ещё не нашли рентабельный способ добычи золота из морской воды, а вот с литием получилось удачнее. Группа учёных из Университета науки и технологии в Саудовской Аравии показала готовое решение c энергозатратами всего 5 долларов на килограмм ортофосфата (Li3PO4).
Проблема с добычей лития на земле ещё и в том, что она наносит большой ущерб окружающей среде, при этом тратится огромное количество воды — около 1900 тонн воды на 1 тонну добытого лития.
Морские запасы лития в 5000 раз больше, чем на суше. Но там он в низких концентрациях: всего 0,2 ppm (частиц на миллион). Все предыдущие попытки извлечь литий из океана оказались неэффективны. Но сейчас команда под руководством Жипина Лая (Zhiping Lai) применила уникальный подход. Они создали электрохимическую ячейку с керамической мембраной из литий-лантан-титанового оксида (LLTO). По сути, это простая сетка, которая отфильтровывает литий.
В кристаллической структуре ячейки крошечные поры такого размера, что ионы лития проходят через мембрану, а ионы более крупных металлов — нет.
Внутри ячейки три камеры. Сначала морская вода поступает в загрузочный отсек, где происходит разделение положительных и отрицательных ионов. Здесь положительные ионы уходят через LLTO-мембрану в боковую камеру с промежуточным раствором и медным катодом, покрытым платиной и рутением с одной стороны. Тем временем отрицательные ионы выходят из камеры через стандартную анионообменную мембрану (AEM) в третий отсек c раствором NaCl и платино-рутениевым анодом.
Исследователи протестировали систему в воде Красного моря. При напряжении 3,25 В ячейка генерирует газообразный водород на катоде и газообразный хлор на аноде. Это приводит к переносу лития через LLTO-мембрану, где он накапливается в боковой камере. Затем обогащённая литием вода становится сырьём для ещё четырёх циклов обработки, в итоге достигая концентрации 9000 ppm.
Концентрация лития в морской воде на разных стадиях процесса
Рис. 2. Извлечение лития из морской воды с помощью электрического мембранного насоса (эффективная площадь мембраны 2,01 см², напряжение — 3,25 В): (a) хроноамперометрическая кривая на каждой стадии; площадь под кривой показывает общий заряд, прошедший через мембрану в кулонах для каждой стадии; (b) постоянный ток и концентрация лития на разных стадиях; количество различных ионов, проходящих через мембрану на каждой стадии; (d) доля фарадеевой эффективности различных ионов для каждой стадии
Из этого насыщенного раствора легко выделяется твёрдый фосфат лития, содержащий лишь следы ионов других металлов — он достаточно чистый, чтобы соответствовать промышленным требованиям производителей аккумуляторов.
Рис. 3. Продукт Li3PO4, осаждённый из пятого обогащённого раствора: (a) фото собранного порошка; (b) рентгеноструктурный анализ порошка. Все дифракционные пики совпадают со стандартной рентгенограммой Li3PO4
По оценкам исследователей, для извлечения килограмма фосфата из морской воды ячейке требуется электроэнергии всего на пять долларов (при цене 6,5 центов за киловатт-час) В ортофосфате примерно 16% лития по массе, так что килограмм чистого металла выйдет примерно в $31. Стоимость водорода и хлора, производимых ячейкой, более чем компенсирует эти затраты, а остатки морской воды можно использовать в опреснительных установках, считают авторы. Действительно, чистый водород в качестве побочного продукта — это очень приятно.
Кажется, что расход электроэнергии $5 на килограмм ортофосфата — не слишком много. Для сравнения, мировые цены на промышленный карбонат лития (Li2CO3) в марте 2021 года выросли до $23 за кг, на гидроксид LioH — до $25. Ортофосфат Li3PO4 мелким оптом стоит от $22 за кг (к сожалению, на товарных биржах его найти не удалось).
Другой вопрос, каков износ фильтров, на сколько хватает катализаторов из платины и мембраны из литий-лантан-титанового оксида, это ведь недешёвый материал? И вообще, какова полная себестоимость производства. На эти вопросы ответит только промышленная эксплуатация. Учёные предполагают, что производство будет рентабельным. Будем надеяться, что в Саудовской Аравии не возникнет проблем с финансированием этого эксперимента.
Научная статья опубликована 30 марта 2021 года в журнале Energy & Environmental Science (doi: 10.1039/d1ee00354b, pdf).
На правах рекламы
Мы не экономим на оборудовании и дата-центрах! VDSina размещает серверы в самых современных и надёжных российских и европейских дата-центрах. Работаем с 2014 года — качество проверено временем!
Подписывайтесь на наш чат в Telegram.
