"Литий питает технологии, которые определяют нашу современную жизнь - от смартфонов до электромобилей - и находит применение в сетевых накопителях энергии, керамике, стекле, смазочных материалах и даже медицинских и ядерных технологиях", - сказал Мохаммад Резаи, профессор горного дела в Пенсильванском государственном университете, который возглавлял команду, которая опубликовали свой подход в журнале Chemical Engineering Journal. "Но его добыча также должна быть экологически ответственной. Наши исследования показывают, что мы можем извлекать литий и другие важнейшие минералы более эффективно, резко сокращая потребление энергии, выбросы парниковых газов и отходы, которыми трудно управлять или утилизировать".

Австралия, Чили и Китай лидируют в мире по поставкам лития, экспортируя его в страны, конкурирующие во все более передовых технологиях, которые зависят от этого минерала. На Чили и Аргентину приходится 97% экспорта лития в Соединенные Штаты, которые импортируют более чем в два раза больше, чем могут извлечь из внутренних ресурсов, несмотря на наличие миллионов метрических тонн залежей лития. По словам Резаи, проблема заключается во времени, финансовых затратах и воздействии на окружающую среду при извлечении лития из горных пород, где он встречается естественным образом.

Однако у Резаи и членов его исследовательской группы, Чандимы Хевапатиранаге и Шихуа Хана, которые получают докторские степени в области энергетики и разработки полезных ископаемых в Пенсильванском государственном университете, есть решение. При гораздо меньшем потреблении энергии и меньшем количестве агрессивных химикатов, чем при традиционных методах, их бескислотный подход позволяет извлекать более 99% доступного лития из породы за считанные минуты, по сравнению с часами обычной экстракции, при которой образуется примерно 96% доступного лития.

"Что делает этот подход особенно многообещающим, так это его совместимость с существующей промышленной инфраструктурой", - сказал Резаи, пояснив, что новый процесс разработан с учетом масштабируемости и практичности, и он не требует чрезмерного нагревания или использования кислот. "В нем используются обычные материалы, такие как гидроксид натрия - распространенное соединение, используемое при изготовлении мыла и содержащееся во многих бытовых чистящих средствах, - и вода, и он работает при гораздо более низких температурах, чем традиционные методы. Это делает его не только более чистым и быстрым, но и более простым в масштабировании".

Традиционная добыча лития включает в себя либо извлечение металла из горных пород, либо выпаривание резервуаров с богатым литием рассолом. Испарение требует значительного количества воды и занимает слишком много времени, чтобы соответствовать требованиям промышленности. Прямое извлечение лития из добываемых пород происходит быстрее, чем выпаривание рассола, но включает нагрев минералов до невероятно высоких температур - 1110 градусов по Цельсию (2300 градусов по Фаренгейту) - и поддержание температуры в течение двух часов. Это делает литиевый минерал пористым и подготавливает литий к отделению от породы. На следующем этапе пористый минерал обрабатывают серной кислотой и нагревают до 482 градусов по Фаренгейту в течение двух часов. Этот этап, известный как выпечка в серной кислоте, в конечном итоге приводит к растворению большей части лития. Полученный кислый раствор лития затем обрабатывают для нейтрализации кислоты и очистки металла.

"На каждом этапе традиционного метода, особенно при высокотемпературной обработке, выделяется значительное количество углекислого газа", - сказал Резаи, объяснив, что серная кислота также создает проблемы для окружающей среды и оставляет опасные побочные продукты. "Этот процесс требует значительных инвестиций в оборудование и сопряжен с проблемами контроля температуры и рекуперации энергии. Примеси приводят к потере лития, а кислый раствор лития требует значительного расхода химических веществ, чтобы стать основным для окончательной экстракции."

Когда Резаи и его команда впервые задумались об улучшении этого процесса, они поняли, что могут устранить необходимость в фазовом превращении - экстремальном нагреве и обжиге в серной кислоте, которые высвобождают ионы лития из минерала.

"Мы использовали термодинамическое моделирование, чтобы понять, как минералы, содержащие литий, могут взаимодействовать с различными химическими агентами, а затем подтвердили эти прогнозы с помощью лабораторных экспериментов", - сказал Резаи. "Мы обнаружили, что смешивание литийсодержащего минерала, называемого сподуменом, с гидроксидом натрия при относительно низких температурах превращает минерал в водорастворимые фазы, содержащие литий".

Они также исследовали использование микроволнового нагрева для этой низкотемпературной реакции - аналогично разогреву пищи в микроволновой печи, а не в духовке - чтобы сократить время обработки до нескольких минут.

В результате этой реакции образуется силикат натрия лития - соединение, которое легко растворяется в воде комнатной температуры. При добавлении воды литий вымывается примерно за минуту. Поскольку полученный раствор уже является основным, то есть некислотным, он также устраняет необходимость в химических добавках, которые требуются при обычной экстракции лития для перехода от кислотного к основному. Исследователи могут немедленно добавить соединение, которое затвердевает в литии, чтобы его можно было легко собрать.

По словам Резаи, этот процесс может также использоваться для извлечения лития и двух других важнейших минералов - рубидия и цезия, которые используются в электронике, квантовых вычислениях, солнечных панелях, атомных часах, системах спутниковой навигации, аккумуляторах и даже в качестве ракетного топлива - из лепидолита, другой горной руды. Он также может извлекать литий из глинистых источников. В настоящее время команда работает над расширением своего подхода и усовершенствованием процесса для промышленного применения.

Колледж наук о земле и минералах штата Пенсильвания поддержал эту работу, предоставив исследовательскую премию Джорджа Х. Дейка-младшего.