Các lớp màng đất sét siêu mỏng mang đến giải pháp thay thế chi phí thấp để chiết xuất lithium từ nước

Các lớp màng đất sét siêu mỏng mang đến giải pháp thay thế chi phí thấp để chiết xuất lithium từ nước

    Các lớp màng đất sét siêu mỏng mang đến giải pháp thay thế chi phí thấp để chiết xuất lithium từ nước

    Cấu trúc nguyên tử của màng vermiculite cho thấy các lớp 2D được hỗ trợ bởi các trụ nhôm oxit. Các quả bóng màu vàng là ion natri được pha tạp. Nguồn: Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne

    Argonne researchers develop new membrane technology to extract lithium from water


    Lithium, kim loại nhẹ nhất trong bảng tuần hoàn, đóng một vai trò quan trọng trong cuộc sống hiện đại. Trọng lượng nhẹ và mật độ năng lượng cao khiến nó trở nên lý tưởng cho xe điện, điện thoại di động, máy tính xách tay và các công nghệ quân sự, nơi mà mỗi ounce đều có giá trị. Khi nhu cầu về lithium tăng vọt, mối lo ngại về nguồn cung và độ tin cậy ngày càng gia tăng.

    Để giúp đáp ứng nhu cầu tăng vọt và các vấn đề có thể xảy ra đối với chuỗi cung ứng, các nhà khoa học tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne thuộc Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã phát triển một công nghệ màng cải tiến giúp chiết xuất lithium từ nước một cách hiệu quả. Một số thành viên trong nhóm cũng đang giữ các vị trí chung tại Trường Kỹ thuật Phân tử Pritzker (PME) thuộc Đại học Chicago.

    Những phát hiện này được công bố trên tạp chí Advanced Materials.

    "Màng lọc mới mà chúng tôi phát triển mang đến một giải pháp thay thế tiềm năng, chi phí thấp và dồi dào cho việc khai thác lithium ngay tại nhà", Seth Darling, giám đốc khoa học và công nghệ của ban giám đốc Công nghệ Năng lượng Tiên tiến của Argonne, cho biết. Ông cũng là giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Tiên tiến về Vật liệu cho Hệ thống Năng lượng-Nước (AMEWS) tại Argonne và là nhà khoa học cấp cao về PME.

    Hiện tại, phần lớn lithium trên thế giới đến từ hoạt động khai thác đá cứng và hồ nước mặn chỉ ở một vài quốc gia, khiến chuỗi cung ứng dễ bị gián đoạn. Tuy nhiên, phần lớn lithium trên Trái Đất thực chất lại hòa tan trong nước biển và các nguồn dự trữ nước mặn dưới lòng đất.

    Vấn đề là gì? Việc khai thác lithium từ những nguồn phi truyền thống này rất tốn kém, tiêu tốn năng lượng và không hiệu quả. Các phương pháp truyền thống gặp khó khăn trong việc tách lithium khỏi các nguyên tố khác, vốn dồi dào hơn như natri và magie.

    Trong nước mặn, lithium và các nguyên tố khác tồn tại dưới dạng cation. Đây là những nguyên tử đã mất một hoặc nhiều electron, mang lại cho chúng điện tích dương. Chìa khóa để khai thác lithium hiệu quả nằm ở việc lọc bỏ các cation khác dựa trên cả kích thước và mức độ điện tích.

    Màng mới mang đến một giải pháp đầy hứa hẹn với chi phí thấp. Nó được làm từ vermiculite, một loại đất sét có sẵn trong tự nhiên với giá chỉ khoảng 350 đô la một tấn. Nhóm nghiên cứu đã phát triển một quy trình bóc tách đất sét thành các lớp siêu mỏng - chỉ dày một phần tỷ mét - và sau đó xếp chồng chúng lại để tạo thành một loại màng lọc. Các lớp này mỏng đến mức được coi là 2D.

    Nhưng có một vấn đề: Nếu không được xử lý, các lớp đất sét sẽ bị vỡ ra trong nước trong vòng nửa giờ do ái lực mạnh của chúng với nước.

    Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu đã chèn các trụ nhôm oxit siêu nhỏ vào giữa các lớp, tạo cho cấu trúc trông giống như một bãi đậu xe cao tầng đang được xây dựng - với nhiều trụ rắn giữ cố định từng "sàn". Kiến trúc này ngăn ngừa sự sụp đổ đồng thời trung hòa điện tích bề mặt âm của màng, một bước quan trọng cho các sửa đổi tiếp theo.

    Tiếp theo, các cation natri được đưa vào màng, nơi chúng lắng đọng xung quanh các trụ nhôm oxit. Điều này đã thay đổi điện tích bề mặt của màng từ trung tính sang dương. Trong nước, cả ion magie và ion liti đều mang điện tích dương, nhưng ion magie mang điện tích cao hơn (+2) so với ion liti (+1).

    Bề mặt tích điện dương của màng đẩy các ion magie mang điện tích cao mạnh hơn so với các ion liti. Sự khác biệt này cho phép màng thu giữ các ion liti dễ dàng hơn trong khi vẫn giữ các ion magie ở ngoài.

    Để cải thiện hiệu suất hơn nữa, nhóm nghiên cứu đã bổ sung thêm nhiều ion natri hơn nữa. Điều này làm giảm kích thước lỗ màng. Kết quả là màng cho phép các ion nhỏ hơn như natri và kali đi qua trong khi vẫn giữ lại các ion liti lớn hơn.

    "Bằng cách lọc theo cả kích thước ion và điện tích, màng của chúng tôi có thể loại bỏ liti ra khỏi nước với hiệu suất cao hơn nhiều", tác giả đầu tiên Yining Liu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Đại học Chicago và là thành viên của nhóm AMEWS, cho biết. "Một màng như vậy có thể giảm sự phụ thuộc của chúng ta vào các nhà cung cấp nước ngoài và mở ra cánh cửa cho các nguồn dự trữ liti mới ở những nơi chúng ta chưa từng nghĩ đến."

    Các nhà nghiên cứu tin rằng bước đột phá này có thể có nhiều ứng dụng rộng rãi hơn, từ việc thu hồi các vật liệu quan trọng khác như niken, coban và các nguyên tố đất hiếm, đến việc loại bỏ các chất gây ô nhiễm có hại khỏi nguồn nước.

    "Có rất nhiều loại vật liệu đất sét này", Liu nói. "Chúng tôi đang tìm hiểu cách nó có thể giúp thu thập các nguyên tố quan trọng từ nước biển và nước muối hồ mặn, hoặc thậm chí giúp làm sạch nước uống của chúng ta."

    Thông tin thêm: Yining Liu và cộng sự, Màng Vermiculite Tầng Trụ với Độ Chọn Lọc Ion Đơn Hóa Trị và Đa Hóa Trị Có Thể Điều Chỉnh, Vật Liệu Tiên Tiến (2025). DOI: 10.1002/adma.202417994

    Thông tin tạp chí: Vật Liệu Tiên Tiến

    Được cung cấp bởi Phòng Thí nghiệm Quốc gia Argonne

    Zalo
    Hotline