Los químicos inventan una forma más eficaz de extraer litio de minas, yacimientos petrolíferos y pilas usadas
El éxito en la optimización del nuevo proceso en cuanto a velocidad y eficacia de extracción podría cambiar las reglas del juego del suministro nacional de litio
Químicos del Laboratorio Nacional Oak Ridge del Departamento de Energía han inventado una forma más eficaz de extraer litio de los líquidos residuales lixiviados de explotaciones mineras, yacimientos petrolíferos y baterías usadas. Han demostrado que un mineral común puede adsorber al menos cinco veces más litio del que puede recogerse utilizando materiales adsorbentes desarrollados anteriormente.
Para apoyar una economía circular, el hidróxido de aluminio puede extraer 37 miligramos de litio por gramo de sorbente recuperable en un solo paso.
Jayanthi Kumar, Parans Paranthaman and Philip Gray/ORNL, U.S. Dept. of Energy
"Se trata de un proceso de absorción de litio de bajo coste", afirma Parans Paranthaman, miembro del ORNL y de la Academia Nacional de Inventores, con 58 patentes en su haber. Paranthaman dirigió el experimento de prueba de concepto junto con Jayanthi Kumar, químico de materiales del ORNL experto en diseño, síntesis y caracterización de materiales estratificados.
"La principal ventaja es que funciona en un rango de pH más amplio, de 5 a 11, en comparación con otros métodos de extracción directa de litio", explica Paranthaman. El proceso de extracción sin ácido tiene lugar a 140 grados Celsius, frente a los métodos tradicionales que tuestan los minerales extraídos a 250 grados Celsius con ácido o a 800 o 1000 grados Celsius sin ácido.
El equipo ha solicitado la patente del invento.
El litio es un metal ligero que suele utilizarse en baterías recargables y de alta densidad energética. Los vehículos eléctricos, necesarios para conseguir emisiones netas cero en 2050, dependen de las baterías de iones de litio. Industrialmente, el litio se extrae de salmueras, rocas y arcillas. La innovación del ORNL puede ayudar a satisfacer la creciente demanda de litio haciendo comercialmente viables las fuentes nacionales.
La investigación revela un camino que se aleja del statu quo: una economía lineal en la que los materiales procedentes de la minería, el refinado o el reciclado se convierten en productos que, al final de su vida útil, se desechan como residuos. 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.
El invento del ORNL se basa en el hidróxido de aluminio, un mineral abundante en la corteza terrestre. Los científicos utilizaron el hidróxido de aluminio como sorbente, que es un material que absorbe 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 hidróxido doble estratificado, o LDH. A continuación, en la delitiación, el tratamiento con agua caliente hace que el LDH ceda los iones de litio y regenere el sorbente. Durante la relitiación, el sorbente se reutiliza para extraer más litio. "Esta es la base de la economía circular", afirma Paranthaman.
La investigación se publica en la revista ACS Applied Materials and Interfaces. En un segundo artículo relacionado, publicado simultáneamente en The Journal of Physical Chemistry C, se estudia la estabilidad de la delitiación en diversas condiciones.
El hidróxido de aluminio existe en cuatro polimorfos cristalinos muy ordenados y en una forma amorfa o desordenada. Resulta que la forma desempeña un papel importante en la función del sorbente.
Kumar viajó a la Universidad Estatal de Arizona para trabajar con Alexandra Navrotsky en la medición de la termodinámica de las reacciones químicas. Bruce Moyer, becario del ORNL y reconocido experto en ciencia y tecnología de la separación, aportó su visión de 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 tanto, es altamente reactivo", dijo Kumar. "Esa fue la clave para que este método diera como resultado una mayor capacidad de extracción de litio".
Dado que el hidróxido de aluminio amorfo es la forma menos estable 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, mucho, mucho menos estable. Por eso es más reactiva", explica Kumar. "Para ganar estabilidad, reacciona muy rápido en comparación con otras formas".
Kumar está optimizando el proceso por el que el sorbente adsorbe selectivamente el litio de líquidos que contienen litio, sodio y potasio y pasa a formar sulfato de LDH.
En el Centro de Ciencias de Materiales Nanofásicos, una instalación de la Oficina de Ciencia del DOE en ORNL, los investigadores utilizaron microscopía electrónica de barrido para caracterizar la morfología del hidróxido de aluminio durante la litiación. Se trata de una capa neutra cargada que contiene vacantes atómicas, o agujeros diminutos. El litio se absorbe en estos sitios. El tamaño de estas vacantes es la clave de la selectividad del hidróxido de aluminio para el litio, que es un ion cargado positivamente, o catión.
"Ese sitio vacante es tan pequeño que sólo puede albergar cationes del tamaño del litio", explica Kumar. "El sodio y el potasio son cationes con radios más grandes. Los cationes más grandes no caben en el sitio vacante. Sin embargo, encaja perfectamente con el litio".
La selectividad del hidróxido de aluminio amorfo para el litio se traduce en una eficacia 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 presente en el lixiviado, o salmuera, procedente de explotaciones mineras o yacimientos petrolíferos. Una segunda pasada del lixiviado por el sorbente de hidróxido de aluminio amorfo recoge el resto del litio. "En dos pasos se puede recuperar todo el litio", afirma Paranthaman.
Venkat Roy y Fu Zhao, de la Universidad de Purdue, analizaron los beneficios del ciclo de vida de una economía circular a partir de la extracción directa de litio. Compararon el proceso de ORNL con un método estándar que utiliza carbonato sódico. Comprobaron que la tecnología de ORNL utilizaba un tercio del material y un tercio de la energía y, por consiguiente, generaba menos emisiones de gases de efecto invernadero.
A continuación, los investigadores quieren ampliar el proceso para extraer más litio y regenerar el sorbente de una forma específica. Ahora, cuando el sorbente de hidróxido de aluminio amorfo reacciona con el litio y se trata después con agua caliente para extraer el litio y regenerar el sorbente, el resultado es un cambio estructural en el polimorfo de hidróxido de aluminio, que pasa de amorfo a una forma cristalina llamada bayerita.
"La bayerita es menos reactiva", explica Kumar. "Necesita más tiempo -18 horas- o más concentración de litio para reaccionar, a diferencia de la forma amorfa, que reacciona en 3 horas para recoger todo el litio de la solución lixiviada. Tenemos que encontrar una ruta para volver a la fase amorfa, que sabemos que es muy reactiva".
El éxito en la optimización del nuevo proceso en cuanto a velocidad y eficacia de extracción podría cambiar las reglas del juego del 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 yacimientos petrolíferos de Texas y Pensilvania.
"En el ámbito nacional, no tenemos realmente fabricación de litio", dijo Paranthaman. "Menos del 2% del litio destinado a la fabricación procede de Norteamérica. Si podemos utilizar el nuevo proceso del ORNL, tendremos varias fuentes de litio en todo Estados Unidos. El sorbente es tan bueno que se puede utilizar para cualquier salmuera o incluso soluciones de baterías de iones de litio recicladas."
Nota: Este artículo ha sido traducido utilizando un sistema informático sin intervención humana. LUMITOS ofrece estas traducciones automáticas para presentar una gama más amplia de noticias de actualidad. Como este artículo ha sido traducido con traducción automática, es posible que contenga errores de vocabulario, sintaxis o gramática. El artículo original en Inglés se puede encontrar aquí.
Publicación original
K. Jayanthi, Tej N. Lamichhane, Venkat Roy, Fu Zhao, Alexandra Navrotsky, Bruce A. Moyer, Mariappan Parans Paranthaman; "Integrated Circular Economy Model System for Direct Lithium Extraction: From Minerals to Batteries Utilizing Aluminum Hydroxide"; ACS Applied Materials & Interfaces, Volume 15, 2023-12-5
K. Jayanthi, Mariappan Parans Paranthaman, Benjamin T. Manard, Alexandra Navrotsky; "Effect of Anions on the Delithiation of [Li–Al] Layered Double Hydroxides: Thermodynamic Insights"; The Journal of Physical Chemistry C, Volume 127, 2023-12-5
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