Los químicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han inventado una forma más eficiente de extraer litio de líquidos residuales lixiviados de minas, campos petrolíferos y baterías usadas. Demostraron que un mineral común puede absorber al menos cinco veces más litio del que se puede recolectar utilizando materiales adsorbentes desarrollados previamente.
"Es un proceso de bajo costo y alta absorción de litio", dijo Parans Paranthaman, miembro corporativo de ORNL y miembro de la Academia Nacional de Inventores con 58 patentes emitidas. Dirigió el experimento de prueba de concepto con Jayanthi Kumar, un químico de materiales de ORNL con experiencia en el diseño, síntesis y caracterización de materiales en capas.
"La ventaja clave es que funciona en un rango de pH más amplio, de 5 a 11, en comparación con otros métodos de extracción directa de litio", dijo Paranthaman. El proceso de extracción sin ácido se lleva a cabo a 140 grados Celsius, en comparación con los métodos tradicionales que tuestan los minerales extraídos a 250 grados Celsius con ácido o entre 800 y 1000 grados Celsius sin ácido.
El equipo ha solicitado una patente para la invención.
El litio es un metal liviano que se usa comúnmente en baterías recargables y de gran densidad energética. Los vehículos eléctricos, necesarios para lograr emisiones netas cero para 2050, dependen de baterías de iones de litio. Industrialmente, el litio se extrae de salmueras, rocas y arcillas. La innovación de ORNL puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de litio al hacer que las fuentes nacionales sean comercialmente viables.
La investigación revela una ruta para alejarse del status quo:una economía lineal en la que los materiales provenientes de la minería, la refinación o el reciclaje se convierten en productos que, al final de su vida, se desechan como desechos. El trabajo avanza hacia una economía circular en la que los materiales se mantienen en circulación el mayor tiempo posible para reducir el consumo de recursos vírgenes y la generación de residuos.
La invención de ORNL se basa en hidróxido de aluminio, un mineral que abunda en la corteza terrestre. Los científicos utilizaron hidróxido de aluminio como sorbente, que es un material que toma otro material (en este caso, sulfato de litio) y lo retiene.
En un proceso llamado litiación, un polvo de hidróxido de aluminio extrae iones de litio de un disolvente para formar una fase estable de doble hidróxido en capas, o LDH. Luego, en la delitiación, el tratamiento con agua caliente hace que la LDH libere iones de litio y regenere el sorbente. Durante la relitiación, el sorbente se reutiliza para extraer más litio. "Ésta es la base de una economía circular", afirmó Paranthaman.
La investigación se publica en la revista ACS Applied Materials &Interfaces. . Un segundo artículo relacionado, publicado simultáneamente en The Journal of Physical Chemistry C , exploró la estabilidad de la delitiación en diversas condiciones.
El hidróxido de aluminio existe en cuatro polimorfos cristalinos altamente ordenados y una forma amorfa o desordenada. La forma juega un papel importante en la función del sorbente.
Kumar viajó a la Universidad Estatal de Arizona para trabajar con Alexandra Navrotsky para medir la termodinámica de reacciones químicas. Bruce Moyer, miembro corporativo de ORNL, un reconocido experto en ciencia y tecnología de separación, brindó información sobre los experimentos cinéticos.
"Basándonos en mediciones calorimétricas, aprendimos que el hidróxido de aluminio amorfo es la forma menos estable entre los hidróxidos de aluminio y, por lo tanto, es altamente reactivo", dijo Kumar. "Esa fue la clave para que este método diera como resultado una mayor capacidad de extracción de litio".
Debido a que el hidróxido de aluminio amorfo es la menos estable entre las formas del mineral, reacciona espontáneamente con el litio de la salmuera lixiviada de las arcillas residuales. "Sólo cuando hicimos las mediciones nos dimos cuenta de que la forma amorfa es mucho menos estable. Por eso es más reactiva", dijo Kumar. "Para ganar estabilidad, reacciona muy rápidamente en comparación con otras formas."
Kumar está optimizando el proceso mediante el cual el sorbente adsorbe selectivamente litio de líquidos que contienen litio, sodio y potasio y luego forma sulfato de LDH.
En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE en ORNL, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de barrido para caracterizar la morfología del hidróxido de aluminio durante la litiación. Es una capa neutra cargada que contiene vacantes atómicas o pequeños agujeros. El litio se absorbe en estos sitios. El tamaño de estas vacantes es la clave de la selectividad del hidróxido de aluminio por el litio, que es un ion o catión con carga positiva.
"Ese sitio vacío es tan pequeño que sólo caben cationes del tamaño del litio", dijo Kumar. "El sodio y el potasio son cationes con radios más grandes. Los cationes más grandes no caben en el sitio vacío. Sin embargo, es una combinación perfecta para el litio."
La selectividad del hidróxido de aluminio amorfo por el litio da como resultado una eficiencia casi perfecta. En un solo paso, el proceso capturó 37 miligramos de litio por gramo de sorbente recuperable, aproximadamente cinco veces más que una forma cristalina de hidróxido de aluminio llamada gibbsita, que se empleaba anteriormente para la extracción de litio.
El primer paso de la litiación extrae el 86% del litio del lixiviado, o salmuera, de sitios mineros o campos petroleros. Pasar el lixiviado a través del sorbente de hidróxido de aluminio amorfo por segunda vez recoge el resto del litio. "En dos pasos, se puede recuperar completamente el litio", afirmó Paranthaman.
Venkat Roy y Fu Zhao de la Universidad Purdue analizaron los beneficios del ciclo de vida de una economía circular a partir de la extracción directa de litio. Compararon el proceso ORNL con un método estándar que utiliza carbonato de sodio. Descubrieron que la tecnología ORNL utilizaba un tercio del material y un tercio de la energía y, posteriormente, generaba menos emisiones de gases de efecto invernadero.
A continuación, los investigadores quieren ampliar el proceso para extraer más litio y regenerar el sorbente en una forma específica. Ahora, cuando el sorbente de hidróxido de aluminio amorfo reacciona con el litio y luego se trata con agua caliente para eliminar el litio y regenerar el sorbente, el resultado es un cambio estructural en el polimorfo de hidróxido de aluminio de una forma amorfa a una cristalina llamada bayerita. P>
"La forma de bayerita es menos reactiva", dijo Kumar. "Se requiere más tiempo (18 horas) o litio más concentrado para reaccionar, a diferencia de la forma amorfa, que reacciona en 3 horas para extraer todo el litio de la solución de lixiviado. Necesitamos encontrar una ruta para regresar a la fase amorfa, que sabemos que es altamente reactiva."
El éxito en la optimización del nuevo proceso para la velocidad y eficiencia de la extracción podría cambiar las reglas del juego para el suministro nacional de litio. Más de la mitad de las reservas terrestres de litio del mundo se encuentran en lugares donde la concentración de minerales disueltos es alta, como el Mar Salton de California o los campos petrolíferos de Texas y Pensilvania.
"A nivel nacional, realmente no fabricamos litio", dijo Paranthaman. "Menos del 2% del litio para fabricación proviene de América del Norte. Si podemos usar el nuevo proceso ORNL, tendremos varias fuentes de litio en todo Estados Unidos. El sorbente es tan bueno que puedes usarlo para cualquier salmuera o incluso soluciones de baterías de iones de litio recicladas."
Más información: K. Jayanthi et al, Sistema modelo integrado de economía circular para la extracción directa de litio:de minerales a baterías utilizando hidróxido de aluminio, Interfaces y materiales aplicados ACS (2023). DOI:10.1021/acsami.3c12070
K. Jayanthi et al, Efecto de los aniones en la delitización de hidróxidos dobles en capas [Li-Al]:conocimientos termodinámicos, The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05676
Información de la revista: Revista de Química Física C , Interfaces y materiales aplicados de ACS
Proporcionado por el Laboratorio Nacional de Oak Ridge
