Químicos inventam uma maneira mais eficiente de extrair lítio de minas, campos de petróleo e baterias usadas
Para apoiar uma economia circular, o hidróxido de alumínio pode extrair 37 miligramas de lítio por grama de sorvente recuperável em uma única etapa. Crédito:Jayanthi Kumar, Parans Paranthaman e Philip Gray/ORNL, Departamento de Energia dos EUA Químicos do Laboratório Nacional de Oak Ridge, do Departamento de Energia, inventaram uma maneira mais eficiente de extrair lítio de resíduos líquidos lixiviados de locais de mineração, campos de petróleo e baterias usadas. Eles demonstraram que um mineral comum pode adsorver pelo menos cinco vezes mais lítio do que pode ser coletado usando materiais adsorventes desenvolvidos anteriormente.
“É um processo de baixo custo e alta absorção de lítio”, disse Parans Paranthaman, membro corporativo do ORNL e membro da Academia Nacional de Inventores com 58 patentes emitidas. Ele liderou o experimento de prova de conceito com Jayanthi Kumar, um químico de materiais do ORNL com experiência em design, síntese e caracterização de materiais em camadas.
“A principal vantagem é que funciona em uma faixa mais ampla de pH, de 5 a 11, em comparação com outros métodos diretos de extração de lítio”, disse Paranthaman. O processo de extração sem ácido ocorre a 140 graus Celsius, em comparação com os métodos tradicionais que torram minerais extraídos a 250 graus Celsius com ácido ou de 800 a 1000 graus Celsius sem ácido.
A equipe solicitou uma patente para a invenção.
O lítio é um metal leve comumente usado em baterias recarregáveis e com alta densidade de energia. Os veículos eléctricos, necessários para atingir emissões líquidas zero até 2050, dependem de baterias de iões de lítio. Industrialmente, o lítio é extraído de salmouras, rochas e argilas. A inovação do ORNL pode ajudar a satisfazer a crescente procura de lítio, tornando as fontes nacionais comercialmente viáveis.
A investigação revela um caminho para se afastar do status quo:uma economia linear em que os materiais provenientes da mineração, da refinação ou da reciclagem são transformados em produtos que, no final da sua vida útil, são descartados como resíduos. O trabalho caminha em direção a uma economia circular em que os materiais são mantidos em circulação pelo maior tempo possível para reduzir o consumo de recursos virgens e a geração de resíduos.
A invenção do ORNL depende do hidróxido de alumínio, um mineral abundante na crosta terrestre. Os cientistas usaram hidróxido de alumínio como sorvente, um material que absorve outro material – neste caso, o sulfato de lítio – e o retém.
Em um processo chamado litiação, um pó de hidróxido de alumínio extrai íons de lítio de um solvente para formar uma fase estável de hidróxido duplo em camadas, ou LDH. Então, na delitiação, o tratamento com água quente faz com que o LDH liberte os íons de lítio e regenere o sorvente. Durante a relitiação, o sorvente é reutilizado para extrair mais lítio. “Esta é a base para uma economia circular”, disse Paranthaman.
A pesquisa foi publicada na revista ACS Applied Materials &Interfaces . Um segundo artigo relacionado, publicado simultaneamente no The Journal of Physical Chemistry C , explorou a estabilidade da delitiação sob várias condições.
O hidróxido de alumínio existe em quatro polimorfos cristalinos altamente ordenados e uma forma amorfa ou desordenada. A forma acaba desempenhando um grande papel na função do sorvente.
Kumar viajou para a Arizona State University para trabalhar com Alexandra Navrotsky na medição da termodinâmica de reações químicas. O membro corporativo do ORNL, Bruce Moyer, um renomado especialista em ciência e tecnologia de separação, forneceu informações sobre os experimentos cinéticos.
Resumo gráfico. Crédito:The Journal of Physical Chemistry C (2023). DOI:10.1021/acs.jpcc.3c05676
"Com base em medições calorimétricas, aprendemos que o hidróxido de alumínio amorfo é a forma menos estável entre os hidróxidos de alumínio e, portanto, é altamente reativo", disse Kumar. "Essa foi a chave para este método, resultando em maior capacidade de extração de lítio."
Como o hidróxido de alumínio amorfo é a menos estável entre as formas do mineral, ele reage espontaneamente com o lítio da salmoura lixiviada de argilas residuais. "Só quando fizemos as medições é que percebemos que a forma amorfa é muito, muito, muito menos estável. É por isso que é mais reativa", disse Kumar. “Para ganhar estabilidade, ele reage muito rapidamente em comparação com outras formas.”
Kumar está otimizando o processo pelo qual o sorvente adsorve seletivamente o lítio de líquidos contendo lítio, sódio e potássio e forma sulfato de LDH.
No Center for Nanophase Materials Sciences, uma instalação do DOE Office of Science no ORNL, os pesquisadores usaram microscopia eletrônica de varredura para caracterizar a morfologia do hidróxido de alumínio durante a litiação. É uma camada neutra carregada que contém lacunas atômicas ou pequenos buracos. O lítio é absorvido nesses locais. O tamanho dessas vagas é a chave para a seletividade do hidróxido de alumínio para o lítio, que é um íon ou cátion com carga positiva.
“Esse local vazio é tão pequeno que só pode acomodar cátions do tamanho do lítio”, disse Kumar. "O sódio e o potássio são cátions com raios maiores. Os cátions maiores não cabem no local vago. No entanto, é uma combinação perfeita para o lítio."
A seletividade do hidróxido de alumínio amorfo para o lítio resulta em uma eficiência quase perfeita. Em uma única etapa, o processo capturou 37 miligramas de lítio por grama de sorvente recuperável – aproximadamente cinco vezes mais do que uma forma cristalina de hidróxido de alumínio chamada gibbsita, que era anteriormente empregada para extração de lítio.
A primeira etapa da litiação extrai 86% do lítio do lixiviado, ou salmoura, de locais de mineração ou campos de petróleo. Passar o lixiviado através do sorvente de hidróxido de alumínio amorfo uma segunda vez coleta o restante do lítio. “Em duas etapas, você pode recuperar totalmente o lítio”, disse Paranthaman.
Venkat Roy e Fu Zhao, da Purdue University, analisaram os benefícios do ciclo de vida de uma economia circular a partir da extração direta de lítio. Eles compararam o processo ORNL com um método padrão que utiliza carbonato de sódio. Eles descobriram que a tecnologia ORNL utilizava um terço do material e um terço da energia e, subsequentemente, gerava menos emissões de gases de efeito estufa.
Em seguida, os pesquisadores querem estender o processo para extrair mais lítio e regenerar o sorvente numa forma específica. Agora, quando o sorvente de hidróxido de alumínio amorfo reage com o lítio e é posteriormente tratado com água quente para remover o lítio e regenerar o sorvente, o resultado é uma mudança estrutural no polimorfo do hidróxido de alumínio de uma forma amorfa para uma forma cristalina chamada bayerita.
“A forma bayerita é menos reativa”, disse Kumar. "É necessário mais tempo - 18 horas - ou mais lítio concentrado para reagir, ao contrário da forma amorfa, que reage em 3 horas para retirar todo o lítio da solução de lixiviado. Precisamos encontrar uma rota para voltar para a fase amorfa, que sabemos ser altamente reativa."
O sucesso na otimização do novo processo para velocidade e eficiência de extração pode ser um divisor de águas para o fornecimento doméstico de lítio. Mais de metade das reservas terrestres de lítio do mundo estão em locais onde a concentração de minerais dissolvidos é elevada, como o Mar Salton, na Califórnia, ou campos de petróleo no Texas e na Pensilvânia.
“Internamente, não temos produção de lítio”, disse Paranthaman. "Menos de 2% do lítio para fabricação vem da América do Norte. Se pudermos usar o novo processo ORNL, teremos várias fontes de lítio em todos os Estados Unidos. O sorvente é tão bom que você pode usá-lo para qualquer salmoura ou até mesmo soluções de baterias de íons de lítio recicladas."
