Архив рубрики ~Лента новостей~

Исследователи разработали новый метод извлечения лития из горных пород.

Исследователи разработали новый метод извлечения лития из горных пород.

Если этот проект получит широкое распространение, он поможет нам диверсифицировать источники ключевого элемента.

Рассолы, используемые для добычи лития. Фото: Cavan Images. Рассолы, используемые для добычи лития. Фото: Cavan Images.

Хотя мы производим батареи на основе множества различных химических составов, ничто не приблизилось к масштабам производства литиевых батарей. Такие масштабы затрудняют конкуренцию с литий-ионными батареями с точки зрения экономической эффективности. Даже если мы разработаем превосходную технологию производства батарей, неясно, сможем ли мы достаточно быстро снизить производственные затраты, чтобы конкурировать с эффективностью цепочки поставок лития и производства.

Единственное, что может изменить ситуацию, — это дефицит предложения. Хотя литий чрезвычайно широко распространен, экономически целесообразная добыча лития — это совсем другое дело. Дешевле всего добывать его из рассолов, а богатые литием рассолы в основном находятся в Южной Америке. Мы получаем некоторое количество лития из других источников, но это значительно дороже.

Однако в сегодняшнем номере журнала Science исследовательская группа выявила энергоэффективный способ извлечения лития из горных пород. Разработанный ими процесс потребляет гораздо меньше энергии, чем существующие, восстанавливает все исходные химические вещества и производит побочные продукты, которые также можно продавать.

Реагирующие породы

Как и другие металлы, литий встречается в различных минералах. Например, Геологическая служба США недавно провела инвентаризацию всех месторождений оксида лития на северо-востоке (они обширны), которые находятся в горных породах, называемых пегматитами. Однако в глобальном масштабе, как указывается в новом исследовании, наиболее распространенной литиевой рудой является сподумен, литий-алюминиевый силикат (LiAl(SiO3)2). И этот материал подвергается некоторой переработке — просто это энергоемкий процесс, оставляющий после себя много отходов.

Это происходит потому, что процесс начинается с нагревания минерала примерно до 1000 °C для разрушения его плотной структуры, после чего для выщелачивания лития используется серная кислота. Полученный раствор сульфата лития затем преобразуется в вещество, полезное для производства батарей (обычно карбонат лития), оставляя после себя серосодержащие отходы.

Новая работа была выполнена в результате сотрудничества исследователей из Массачусетского технологического института и нескольких компаний из Бостона. Их целью был процесс, который был бы гораздо более энергоэффективным и производил бы меньше отходов. В результате они разработали процесс, в котором ключевое химическое вещество, используемое в начале процесса, регенерируется на более позднем этапе, и как кремний, так и алюминий в минерале в конечном итоге оказываются в форме, которая уже используется в коммерческих целях.

Ключевым химическим веществом в этом процессе является фторид аммония (NH4F). Можно использовать соль непосредственно в расплавленном виде, но нагревание неизбежно приводит к образованию фтороводорода, который является чрезвычайно опасным веществом (хотя его всё же используют позже). Поэтому вместо этого его использовали в растворенном в воде виде, что, по-видимому, предотвращает эти реакции. В этом процессе нагревание раствора примерно до 70°C приводит к образованию ионов NH4F2, выделяя газообразный аммиак, который используется позже в процессе.

Этот ион отдает атом фтора литию, в результате чего образуется водный раствор фторида лития. Кремний также образует растворимый ион (NH4)2SiF6), а алюминий образует аналогичный ион, который остается в твердом состоянии (NH4)3AlF6). Каждый из этих растворов обрабатывается отдельно.

Использовать всё

Начнём с химии алюминия, которая представляет собой один из наиболее простых путей. Первоначально нагревание (NH4)3AlF6 примерно до 300°C приводит к образованию трифторида алюминия и выделению аммиака и фтороводорода. Затем повышение температуры до 700°C вызывает реакцию трифторида алюминия с водой, в результате чего образуется оксид алюминия и выделяется ещё больше фтороводорода.

Повторюсь, фторид водорода — опасное вещество, требующее осторожного обращения. Но он также легко вступает в реакцию с аммиаком (который образуется в ходе двух различных реакций) и восстанавливает фторид аммония, который использовался для начала всего процесса. Таким образом, помимо незначительных потерь из-за неэффективности, процесс регенерирует один из ключевых компонентов. Между тем, оксид алюминия является одним из ключевых исходных материалов для производства металлического алюминия, и поэтому его можно использовать в этом процессе, учитывая, что чистота конечного продукта здесь превышает 98 процентов.

Здесь следует отметить, что это, пожалуй, худший аспект всего процесса, учитывая энергозатраты на поддержание таких температур и использование крайне опасных химических веществ.

Напротив, очистка кремния — проще простого. Простое добавление большего количества аммиака в раствор привело к тому, что исходное химическое вещество (NH4)2SiF6) прореагировало с водой, высвободив диоксид кремния и фторид аммония. Опять же, раствор фторида аммония является одним из исходных материалов; диоксид кремния просто выпадает в осадок из этого раствора. Это имеет множество применений, но команда показала, что это довольно эффективно для упрочнения бетона.

В итоге у нас остается только раствор фторида лития. Это, по сути, один из исходных ингредиентов для производства распространенного электролита для батарей, LiPF6. В качестве альтернативы исследователи показали, что его можно прореагировать с азотной кислотой и (снова) выделить фторид водорода, оставив после себя нитрат лития. При нагревании он разложится на оксид лития, который легко преобразовать в другие исходные материалы для батарей.

Проверка экономических аспектов

Хотя этот процесс позволяет избежать высоких температур, необходимых для первоначальной обработки литийсодержащей руды, на последующих этапах требуется несколько этапов с повышенными температурами как для получения лития, так и для получения полезных продуктов — алюминия и кремния. Поэтому исследователи провели полную экономическую оценку того, насколько их процесс сопоставим с уже существующими на рынке решениями.

Существующий процесс, включающий обжиг руды с серной кислотой, обходился чуть менее чем в 9000 долларов за тонну пригодного для использования лития. В отличие от этого, по оценкам, новый процесс должен стоить чуть более 5000 долларов за тонну. Это примерно сопоставимо со стоимостью выделения лития из высококачественных рассолов. Если кремний и алюминий также можно будет продавать, то стоимость всего процесса снизится более чем на 1000 долларов, что сделает его очень экономически выгодным.

Конечно, эти цифры сопровождаются множеством оговорок: цены меняются в зависимости от спроса и предложения; не каждый источник сподумена производит руду эквивалентного качества; переход на этот процесс может потребовать инвестиций в новое промышленное оборудование и т. д. Поэтому реальный мир, несомненно, будет сложнее, чем могут показаться эти расчеты. Тем не менее, в нашем мире, все больше зависящем от лития, приятно иметь альтернативы на случай серьезного дефицита поставок.

Кроме того, очень приятно видеть, что у химиков по-прежнему есть возможность переосмыслить крупные промышленные процессы.

Science, 2026. DOI: 10.1126/science.aec4652 (О DOI).

Источник: arstechnica.com

Оцените материал:

Поделиться
Понравилась статья? Расскажите другим
ВКонтакте
Читайте также
Новости робототехники Телеуправляемый андроид Unitree G1 прооперировал свиней. Им лапароскопически удалили желчный пузырь Новости робототехники Weave Robotics запускает Айзека, своего первого представителя робота-гуманоида Новости робототехники Страх перед человекоподобными роботами подтолкнул рабочих к забастовке на автомобильном заводе Hyundai. Новости робототехники Основатель Максимо рассказывает, как робототехника строит строительство солнечной энергетики. Архив рубрики ~Обо всем~ Астрономы нашли кандидата в самый далекий галактический бар. Он существовал спустя почти 1,2 миллиарда лет после Большого Взрыва Новости робототехники По заключению Национального совета по безопасности на транспорте (NTSB), водитель Tesla, который объяснил аварию тем, что автопилот нажал на педаль газа на 100%. Новости робототехники Mondo Robotics представляет собой Beni, вездеходного робота с электрической розеткой и искусственным интеллектом для потребителей. Архив рубрики ~Обо всем~ «Парачастицы» могут стать представителями третьего царства квантовых частиц Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Нейросеть обучили подсчету и оценке качества семян Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ «Комендантский час» на соцсети для подростков 16-17 лет хотят ввести… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В Южной Корее создадут бесплатного ИИ-бота для всех граждан. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В США 73% технических вакансий требуют навыков работы с ИИ,… Архив рубрики ~Обо всем~ Компания SpaceX внезапно прервала второй запуск Starship V3 после запуска двигателя. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Samsung хочет обучать ИИ на данных здоровья Новости робототехники Телеуправляемый андроид Unitree G1 прооперировал свиней. Им лапароскопически удалили желчный пузырь Новости робототехники Weave Robotics запускает Айзека, своего первого представителя робота-гуманоида Новости робототехники Страх перед человекоподобными роботами подтолкнул рабочих к забастовке на автомобильном заводе Hyundai. Новости робототехники Основатель Максимо рассказывает, как робототехника строит строительство солнечной энергетики. Архив рубрики ~Обо всем~ Астрономы нашли кандидата в самый далекий галактический бар. Он существовал спустя почти 1,2 миллиарда лет после Большого Взрыва Новости робототехники По заключению Национального совета по безопасности на транспорте (NTSB), водитель Tesla, который объяснил аварию тем, что автопилот нажал на педаль газа на 100%. Новости робототехники Mondo Robotics представляет собой Beni, вездеходного робота с электрической розеткой и искусственным интеллектом для потребителей. Архив рубрики ~Обо всем~ «Парачастицы» могут стать представителями третьего царства квантовых частиц Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Нейросеть обучили подсчету и оценке качества семян Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ «Комендантский час» на соцсети для подростков 16-17 лет хотят ввести… Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В Южной Корее создадут бесплатного ИИ-бота для всех граждан. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ В США 73% технических вакансий требуют навыков работы с ИИ,… Архив рубрики ~Обо всем~ Компания SpaceX внезапно прервала второй запуск Starship V3 после запуска двигателя. Архив рубрики ~Коротко из Telegram~ Samsung хочет обучать ИИ на данных здоровья

Оставить комментарий