В экспериментах новые каналы, созданные по образцу биологических структур, обеспечивают пятикратно более высокую избирательность при выделении лития. Нанопоры, устройство которых подсказано живыми клетками, способны отделять литий от конкурирующих ионов, присутствующих в подземных рассолах.
Ирина Петрова
Иллюстративное изображение. Источник: Getty/ interestingengineering.com
Группа исследователей из США создала искусственные каналы, чья избирательность по отношению к литию в пять раз превосходит показатели других недавно появившихся переносчиков этого элемента. Такой результат открывает возможность более простого получения материала, критически важного для производства аккумуляторов.
Каналы нанометрового размера, разработанные в Техасском университете в Остине, пропускают ионы лития, но задерживают сопутствующие элементы, которые обычно находятся рядом с ним. Как отмечают авторы, по степени селективности эти структуры входят в число наиболее совершенных среди существующих аналогов.
В основе технологии лежат биологические каналы, регулирующие перемещение ионов и молекул сквозь мембраны живых клеток. Воспроизведя эту функцию в искусственных структурах, научная группа рассчитывает выделять литий без применения традиционных методов экстракции, которые отличаются высокими энергозатратами и образованием химических отходов.
Литий незаменим для аккумуляторов электромобилей, смартфонов и систем хранения энергии. Однако его извлечение из подземных рассолов, твердых пород и переработанных батарей по-прежнему сопряжено с трудностями, поскольку литий часто соседствует с натрием, калием, магнием и кальцием.
Крошечные каналы фильтруют литий
Исследователи создали нанопоры, которые облегчают прохождение ионов лития по сравнению с другими растворенными веществами.
Разделение обеспечивается двумя особенностями каналов: химическими группами у их входных отверстий и узкой внутренней структурой, влияющей на перемещение ионов.
Приближаясь к отверстию, ионы вступают во взаимодействие с химическими группами. Эти взаимодействия вместе с ограниченным пространством внутри канала и определяют, какие ионы смогут пройти через него легче.
По данным исследователей, в лабораторных опытах искусственные каналы показали селективность по литию в два–пять раз выше, чем у других недавно созданных переносчиков лития.
Полученные результаты опираются на более ранние работы команды, в рамках которых была разработана аналогичная технология для разделения редкоземельных элементов, применяемых в промышленности.
Маниш Кумар, профессор кафедры гражданского строительства, архитектуры, охраны окружающей среды и химической инженерии Техасского университета в Остине, пояснил, что задача состоит в том, чтобы упростить извлечение лития из сложных смесей.
«Мы стремимся сделать процесс более быстрым, чистым и простым в реализации», — сказал Кумар.
Разработка техасской группы вписывается в более широкий контекст поиска альтернатив традиционным методам литиевой добычи. Сегодня основная часть лития поступает либо из рассолов, выпариваемых в огромных бассейнах, либо из твердых пород, требующих дробления и химической обработки.
Оба пути связаны с длительными сроками выхода на проектную мощность, значительным водопотреблением и образованием солевых отходов. Мембранные технологии, к которым относится новое решение, обещают сократить число стадий и уменьшить зависимость от реагентов, однако до сих пор их слабым местом оставалась недостаточная избирательность: мембраны пропускали литий вместе с натрием и другими близкими по свойствам ионами.
Именно на этом фоне результат с пятикратным превосходством над аналогами выглядит значимым. Ключевой вопрос, который предстоит решить, связан не только с химией каналов, но и с их поведением в реальных условиях.
Лабораторные растворы, как правило, содержат ограниченный набор ионов в контролируемых концентрациях, тогда как природные рассолы отличаются сложным составом, переменной кислотностью и присутствием органических примесей.
Любое из этих обстоятельств способно снизить селективность или привести к засорению пор. Поэтому следующий этап испытаний, по всей видимости, будет включать работу с образцами из действующих месторождений, а не с модельными смесями.
Исследователи считают, что в перспективе такой подход способен сократить потребность в агрессивных растворителях при выделении лития. Впрочем, текущие результаты показывают лишь селективный перенос ионов, а не полноценный промышленный процесс экстракции.
Следующий шаг — встроить каналы в более крупные мембраны, которые смогут перерабатывать значительные объемы литийсодержащих растворов.
Масштабирование мембран для экстракции
Отдельного внимания требует вопрос масштабирования. Даже самая совершенная нанопора остается элементом микронного масштаба, и для переработки промышленных объемов раствора таких элементов потребуются миллиарды, равномерно распределенных по площади мембраны.
От стабильности этой архитектуры зависит долговечность материала: каналы должны сохранять структуру при многократных циклах фильтрации, перепадах давления и очистке. Пока авторы не приводят данных о ресурсе работы, и это остается одной из главных неопределенностей технологии.
Команда изучает ранее разработанный мембранный материал, состоящий из соединенных между собой слоев, напоминающих клетки. Такие структуры можно собирать из липидов или полимерных материалов, и они могут послужить основой для интеграции селективных каналов.
Исследователи представили систему непрерывного разделения, в которой растворы с высоким содержанием лития проходят через мембраны, избирательно пропускающие ионы лития.
Подобный процесс потенциально способен повысить эффективность извлечения лития из подземных рассолов и одновременно снизить химическую нагрузку на традиционные методы разделения.
Однако требуются дальнейшие испытания, чтобы выяснить, сохранят ли каналы эффективность при контакте с реальными рассолами, в которых содержится множество растворенных солей.
Исследователям также предстоит определить, насколько результативно технология сможет работать в промышленных масштабах. В заявлении не приводятся данные о скорости извлечения в промышленных условиях, энергопотреблении и эксплуатационных расходах.
Экономическая сторона вопроса также пока не раскрыта. Селективность сама по себе не гарантирует конкурентоспособности: итоговая стоимость зависит от скорости потока через мембрану, затрат на ее изготовление и частоты замены.
Если пропускная способность окажется низкой, преимущество в чистоте процесса может быть перекрыто возросшими капитальными расходами. Сопоставление с существующими методами, включая сорбционные технологии и усовершенствованное выпаривание, потребует пилотных установок и длительных испытаний в полевых условиях.
Тем не менее, направление выглядит перспективным сразу в нескольких приложениях. Помимо первичной добычи лития, избирательные каналы могут найти применение при переработке отработанных аккумуляторов, где литий соседствует с кобальтом, никелем и марганцем, а также при создании сепараторов нового поколения.
В последнем случае речь идет уже не об извлечении, а о внутренней архитектуре самой батареи, что расширяет область применения разработки за пределы сырьевого сектора. Дальнейшие шаги команды будут связаны с интеграцией каналов в липидные и полимерные мембранные структуры и проверкой их работы в непрерывном режиме.
Помимо добычи полезных ископаемых, команда видит возможность применять эту технологию для извлечения лития из отработанных аккумуляторов и для создания усовершенствованных сепараторов будущих батарей. Исследование опубликовано в Журнале Американского химического общества.
