Novedoso método de extracción directa de litio a partir de agua producida

Los metales, como el litio, no pueden cultivarse. Deben extraerse o reciclarse, por lo que son una prioridad para los investigadores de la industria minera. Los métodos tradicionales de extracción de litio son caros y pueden ser perjudiciales para el medio ambiente, pero los investigadores de Virginia Tech han encontrado una forma de minimizar este impacto ambiental. Optimizarán y ampliarán este método con una subvención pendiente del Departamento de Energía por valor de más de 1,8 millones de dólares, incluidos 1,5 millones de dólares en participaciones federales.

Wencai Zhang, profesor asociado del Departamento de Ingeniería de Minas y Minerales, dirige este proyecto para recuperar metales muy demandados, como el litio y los elementos de tierras raras, a partir del agua producida en el Marcellus Shale de la cuenca de los Apalaches. El agua producida es agua natural que sale del subsuelo durante la producción de gas natural y puede contener contaminantes como el litio, junto con cloruro sódico, calcio y magnesio que provocan niveles de salinidad extremadamente altos. Los investigadores pretenden reducir los niveles de salinidad y eliminar los contaminantes al tiempo que extraen litio para otras aplicaciones manufactureras.

"Los metales y minerales de alta demanda, como el litio, desempeñan un papel esencial en la producción de vehículos eléctricos y están presentes en prácticamente todas las baterías del mundo", afirma Zhang. "Nuestro objetivo es contribuir a la cadena de suministro de estos materiales críticos y, al mismo tiempo, tener un impacto medioambiental positivo. En concreto, pretendemos reducir las consecuencias medioambientales que pueden asociarse al agua producida."

El novedoso enfoque

Aunque se han realizado varios estudios sobre la recuperación de litio a partir del agua producida, aún no se ha desarrollado un proceso completo que pueda producir litio apto para baterías.

Zhang y su equipo han desarrollado un novedoso proceso para obtener beneficios del agua producida, como la recuperación de minerales valiosos y la fijación de carbono. Su proyecto consta de cinco fases principales para tratar el agua producida y recoger estos minerales tan demandados.

Primera fase: Tratamiento del agua producida

Zhang y su equipo empezarán tratando el agua producida en el Marcellus Shale, en la cuenca de los Apalaches, con el fin de eliminar cualquier partícula sólida y reducir al mínimo la pérdida de minerales valiosos.

Segunda fase: Recuperación de elementos de tierras raras y metales críticos

Para recuperar estos minerales de gran demanda, Zhang ha desarrollado tecnologías patentadas y pendientes de patente para recuperar minerales críticos del agua producida. La concentración de los minerales en el agua producida es demasiado baja para una recuperación eficaz, por lo que el método de Zhang, conocido como precipitación por etapas, concentra los elementos críticos de la solución para que puedan ser extraídos eficazmente y refinados posteriormente.

Tercera fase: Recuperación directa del litio

El método convencional de extracción de litio de la tierra es costoso y requiere una importante cantidad de energía. Los investigadores combinarán un sistema de intercambio iónico especialmente diseñado, que se utiliza en la separación de sustancias y es específicamente selectivo para el litio, y un proceso de extracción con disolventes en varias etapas que se ha modificado significativamente para adaptarlo al tratamiento del agua producida. El novedoso método de Zhang y su equipo para la extracción directa de litio es rentable y consume menos energía.

Cuarta fase: Mineralización del carbono

El agua producida contiene metales alcalinotérreos, como el calcio y el magnesio, que contribuyen a la dureza del agua, o a su grado de utilización. Zhang y su equipo utilizarán la mineralización del carbono para eliminar estos metales añadiendo gas de dióxido de carbono a una solución que contenga metales alcalinotérreos, lo que permite que se formen compuestos de carbonato, como el carbonato cálcico, que se asientan fuera de la solución. Al convertir el dióxido de carbono y los minerales en partículas sólidas, pueden filtrarse del agua.

Quinta fase: Tratamiento fito-microbiano

En la fase final del proyecto, Zhang y su equipo reducirán los niveles de salinidad y eliminarán los contaminantes del agua producida mediante un tratamiento fito-microbiano, que consiste en emplear plantas y sus respectivos microbios para limpiar los contaminantes del agua producida. Se seleccionarán intencionadamente determinadas plantas con excelentes características de depuración que normalmente no crecen en el lugar donde se produce el agua. Estas plantas y microbios se adaptarán a la eliminación de todos los contaminantes, lo que dará como resultado un agua más limpia.

Mejoras medioambientales para el futuro

Los minerales recuperados en este proyecto desempeñan un papel fundamental en nuestra sociedad moderna. Con un futuro de vehículos eléctricos en el horizonte, Zhang está formando equipo con investigadores interdisciplinarios y socios industriales que aportarán su experiencia y datos relevantes para el proyecto. Entre sus socios figuran

• Colleen Doherty, profesora asociada de bioquímica molecular y estructural de la Universidad Estatal de Carolina del Norte, dirigirá la quinta fase del proyecto.
• Austin Elements, una empresa de reciclaje de baterías, dirigirá el esfuerzo de la fase tres y la construcción del pre-piloto y la tecno-economía para la comercialización.
• EQT Corporation, uno de los principales productores de gas natural de Estados Unidos con operaciones en la cuenca de los Apalaches, proporcionará al equipo agua producida suficiente para las pruebas experimentales.

Cuando se colabora en un proyecto con repercusiones tan significativas como una energía y un agua más limpias, es fundamental tener un objetivo común. El objetivo del equipo de investigación en este proyecto beneficia a nuestra región.

"El Marcellus Shale es una importante formación geológica conocida por sus ricos yacimientos de gas natural, sobre todo de gas de esquisto", explica Zhang. "Está situada principalmente en la cuenca de los Apalaches, en el este de Estados Unidos, que incluye parte de Virginia. Este proyecto ofrece la oportunidad de desbloquear beneficios medioambientales adicionales para esta región".

"Mis conocimientos por sí solos no pueden resolver este problema, por lo que es crucial para el proyecto que contemos con colaboradores que tengan conocimientos relevantes para la industria que tengan un impacto sustancial en el proyecto y consigan resolver el problema".

La posible repercusión futura de este proyecto es sustancial, y la integración de esta investigación en la práctica común podría aumentar considerablemente los beneficios de la producción de gas de esquisto. Las empresas de gas de esquisto operan en múltiples emplazamientos de producción, y a menudo dependen de instalaciones de agua centralizadas para recoger y distribuir el agua por varios lugares. La tecnología de Zhang y su equipo puede integrarse en estas instalaciones para optimizar este proceso.

El agua producida tratada también podría utilizarse como agua de riego en el futuro, apoyando la agricultura de la región.

"Nuestra tecnología no sólo facilita la recuperación de minerales valiosos como el litio, sino que también garantiza que el agua siga siendo apta para la producción de gas de esquisto", afirma Zhang. "También podemos reducir la salinidad del agua, proporcionando agua más limpia para apoyar la agricultura en zonas con escaso suministro de agua".