CHLB ĐỨC – Chiết xuất Lithium (1) từ trong nước: Các nhà khoa học của Viện Nghiên cứu các tài nguyên mới Leibniz ở thành phố Saarbrücken, Đức (Leibniz Institute for New Materials – INM) đã phát triển một quy trình mới để chiết xuất lithium từ trong nước biển với chi phí tiết kiệm hơn.
(1) Lithium: một nguyên tố hóa học thuộc nhóm kim loại kiềm, là kim loại nhẹ nhất được biết đến và được sử dụng đặc biệt trong hợp kim và thủy tinh, trong chất bôi trơn cơ học và trong pin lưu trữ.
Sự biến đổi khí hậu và tác hại do sử dụng nhiên liệu hóa thạch là nguyên nhân khiến nhu cầu phát triển các nguồn tài nguyên thay thế. Ví dụ, lithium từ lâu đã là một trong những nguyên liệu được tìm kiếm nhiều nhất và nhu cầu về loại “vàng trắng” này sẽ tiếp tục tăng theo cấp số nhân. Chỉ riêng trong lĩnh vực sản xuất thiết bị di động sẽ khiến lithium trở thành một nguồn tài nguyên khan hiếm. Ở thời điểm hiện tại, có đủ lượng lithium trên trái đất trong một thời gian dài, như ở trong các sa mạc muối ở Chile hoặc tại các hầm mỏ ở Úc vẫn còn trữ lượng đáng kể. Nhưng về lâu dài, sẽ không tránh khỏi nhu cầu phát triển các nguồn nguyên liệu khác để đáp ứng cho nhu cầu sản xuất ngày càng tăng.
Vì những lý do trên, các nguồn lithium sẽ là nguồn nguyên liệu lý tưởng, việc khai thác chúng cũng sẽ giảm lượng khí thải CO2. Do đó, các cuộc kiểm tra địa chất đang diễn ra trên toàn thế giới. Việc tái chế lithium cũng sẽ giảm bớt việc khai thác, nhưng để đạt lợi nhuận cao thì cần có giải pháp khác. Do đó, các cuộc nghiên cứu phương pháp mới đang diễn ra, chẳng hạn như chiết xuất kim loại kiềm từ dung dịch chứa nước. Ví dụ, có những phương thức chiết xuất lithium từ nước khoáng nóng hoặc từ dung dịch tại các hầm mỏ. Cuối cùng, các vùng biển trên thế giới là một bể chứa lithium gần như vô tận. Mặc dù lượng lithium trong nước biển cực kỳ thấp, nhưng có tổng cộng khoảng 230 tỷ tấn nguyên liệu thô lithium có thể chiết xuất được từ nước biển.
Tiềm năng khai thác lithium được công nhận Việc khai thác lithium từ trong nước biển là một tiềm năng không thể bỏ qua. Do đó, các nhà nghiên cứu tại Viện Nghiên cứu Vật liệu mới INM đã phát triển một quy trình điện hóa để chiết xuất các ion lithium từ nước biển với sự hợp tác của Viện Khoa học Trung Quốc (Chinese Academy of Sciences). ACS Energy Letters (American Chemical Society) – Tạp chí Khoa học Năng lượng có bài viết của một nhóm các nhà khoa học người Đức và Trung Quốc do giáo sư Volker Presser phụ trách. Vừa qua nhóm này đã trình bày quy trình điện hóa chiết xuất lithium. Họ cho biết quy trình điện hóa này đòi hỏi chỉ sử dụng ít năng lượng, nhưng phải đảm bảo quá trình phân tách lithium diễn ra liên tục.
Tạp chí Khoa học Năng lượng ACS đã xuất bản bài báo cáo về quy trình chiết xuất lithium từ dung dịch nước. Cơ sở của quy trình này chính là sự kết hợp của pin lưu lượng oxi hóa khử (redox flow battery) (2), với một màng polyme để trao đổi anion và hai màng gốm hợp chất lithium (LISICON – Lithium Super ionic conductor) (3) có tác dụng lọc lithium. Không giống như phản ứng điện hóa trong các điện cực rắn của pin thông thường, pin dòng oxy hóa khử lưu trữ năng lượng bằng cách oxy hóa và khử chất điện phân lỏng. Môi trường lỏng có ưu điểm là bơm được chất điện phân oxi hóa khử, và đảm bảo quy trình hoạt động liên tục. Tùy thuộc vào kích thước mong muốn của hệ thống chiết xuất lithium, mà thể tích của bể điện phân cũng có thể được điều chỉnh một cách dễ dàng.
(2) Redox flow battery (RFB): Pin lưu lượng oxi hóa khử, đó là một thiết bị lưu trữ năng lượng điện hóa giúp chuyển đổi năng lượng hóa học thành năng lượng điện thông qua quá trình oxy hóa và khử.
(3) Lithium Super ionic conductor (LISICON): Hợp chất thể rắn của lithium có độ dẫn ion tương đối cao.
Bể điện hóa Về cơ bản, một bể điện hóa bao gồm hai khoang: một khoang dành cho quá trình oxy hóa và khoang thứ hai dành cho quá trình khử, hai khoang này được ngăn cách bởi màng trao đổi ion. Viện Nghiên cứu Vật liệu mới INM đã trình bày, có hai khoang bổ sung giữa hai ngăn: một khoang dành cho chất điện phân oxi hóa khử là nơi dòng nước có chứa lithium đi vào, và khoang thứ hai để làm giàu các ion lithium. Do đó toàn bộ hệ thống có tổng cộng bốn ngăn. Trong khi đó, màng gốm LISICON có tác dụng lọc các cation khác, chẳng hạn như ion natri hoặc kali bị giữ lại một cách hiệu quả.
Thu hoạch lithium Giáo sư Presser giải thích: “Bạn có thể xem quy trình điện hóa giống như một chiếc xe buýt đang chạy vòng tròn. Các ion lithium từ nước biển được hấp thụ bằng cách khử dung dịch kali đỏ và được giải phóng trở lại trong quá trình oxy hóa ở một khoang khác“. Giáo sư nói thêm: “Việc ‘bật và tắt’ này có nhiều ưu điểm: Thứ nhất, chúng tôi có thể chạy hệ thống liên tục, giống như bất kỳ loại pin dòng oxi hóa khử nào khác. Điều này rất quan trọng để thu hoạch lithium. Và mặt khác, nó cho phép chúng tôi sử dụng các nguồn ion lithium khác nhau“.
Một nghiên cứu sinh Tiến sĩ tại Viện Nghiên cứu Vật liệu mới INM, Ông Stefanie Arnold cho biết thêm: “Quy trình này phù hợp với dung dịch nước tự nhiên, chẳng hạn như từ đại dương hoặc từ các nguồn nước khoáng. Nhưng chúng tôi cũng có thể sử dụng quy trình điện hóa cho dung dịch tại hầm mỏ, hoặc chiết xuất lithium thông qua việc tái chế thủy luyện pin đã qua sử dụng.”
Triển vọng để phát triển hệ thống điện hóa Bước tiếp theo là cải thiện hơn nữa hệ thống điện hóa. Giáo sư Presser cho biết: “Hiện tại, việc phát triển màng gốm LISICON là phần quan trọng nhất để tối ưu hệ thống điện hóa. Việc chế tạo màng lithium-ion mỏng hơn bằng các vật liệu khác sẽ giúp quá trình này diễn ra nhanh hơn, dẫn đến chi phí sản xuất thấp hơn, đồng thời cải thiện độ ổn định cơ học của hệ thống“. Theo các nhà khoa học, một công nghệ như vậy sẽ có thể đóng góp quan trọng cho nền kinh tế tuần hoàn lithium trong tương lai.
Để xem các tin bài khác về “Nghiên cứu và Phát triển”, hãy nhấn vào đây.
Nguồn: Hannover Messe
