Các nhà khoa học đang cải tiến việc chiết xuất lithium bằng một loại hóa học khác
Nội dung buồng nghiền bi: spodumene, chất phản ứng và bi thép. Nhà cung cấp hình ảnh: Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames
Khi mọi người nghĩ về hóa học, hình ảnh thường xuất hiện trong đầu là nhiều loại chất lỏng có màu sắc đựng trong cốc, bình và ống nghiệm trong phòng thí nghiệm. Nhưng trong thực tế, hóa học có thể liên quan đến các vật liệu ở mọi trạng thái: chất lỏng, chất khí và thậm chí cả chất rắn.
Các nhà khoa học tại Trung tâm Đổi mới Vật liệu Quan trọng (CMI), do Phòng thí nghiệm Quốc gia Ames của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ chủ trì, đang sử dụng một phân ngành hóa học được gọi là cơ hóa học, theo đúng nghĩa đen, làm thay đổi hiểu biết thông thường về các phản ứng hóa học, sử dụng các lực cơ học khuấy trộn, nhào lộn và đập vỡ chất rắn để bắt đầu phản ứng hóa học. Quy trình mới của họ, chiết xuất cơ hóa lithium ở nhiệt độ thấp, hay MELLT, là một giải pháp sáng tạo nhằm tăng cường và đa dạng hóa nguồn cung cấp lithium ở Hoa Kỳ.
Lithium là nguyên tố có nhu cầu cao đi kèm với rủi ro về chuỗi cung ứng. Nó cần thiết cho các loại pin có thể sạc lại hiệu suất cao được tìm thấy trong các công nghệ như điện thoại di động, thiết bị y tế và xe điện, cùng một số loại pin khác. Khi xe điện trở nên phổ biến hơn, nhu cầu về lithium cũng tăng lên. Nguyên tố lithium (Li) cần thiết để tạo ra những loại pin này có nguồn gốc từ hai nguồn: nước muối và khoáng chất đá cứng. Nước muối liti là trầm tích nước ngầm mặn đã tích tụ liti hòa tan. Khoáng vật đá cứng chính có chứa lithium được gọi là spodumene. Cả hai nguồn đều yêu cầu các phương pháp chiết xuất khác nhau.
Ihor Hlova, nhà khoa học của CMI và Ames Lab, đồng thời là trưởng nhóm dự án, giải thích rằng chiết xuất lithium từ nước muối là một quy trình tiết kiệm chi phí dựa trên sự bay hơi của mặt trời. Về cơ bản, các giếng nông chứa đầy nước muối được tiếp xúc liên tục với không khí thoáng đãng để nước bay hơi. Đây là nguồn chính cho cả lithium nhập khẩu và nội địa ở Hoa Kỳ.
Phương pháp hiện nay để chiết xuất lithium từ khoáng vật đá cứng spodumene tiêu tốn nhiều năng lượng và tạo ra khí nhà kính cũng như dòng chất thải nguy hại. Trong quá trình này, quặng khoáng được nung nóng hai lần. Lần đầu tiên nó được rang ở 1050°C (1976°F) để chuyển sang trạng thái phù hợp hơn cho quá trình xử lý hóa học. Ở vòng thứ hai, quặng khoáng được nấu ở nhiệt độ khoảng 250°C (485°F) cùng với các hóa chất để tạo thành hợp chất lithium hòa tan trong nước. Sản phẩm lithium thu được có chất lượng cao hơn lithium chiết xuất từ nước muối.
Cả hai phương pháp đều đặt ra những thách thức trong thị trường có nhu cầu cao về Lithium; sản xuất nước muối mất quá nhiều thời gian (12-24 tháng) và việc khai thác khoáng sản từ đá cứng sử dụng quá nhiều năng lượng. Ngoài ra, nước muối cần một lượng lớn nước ngọt ở các giai đoạn chế biến khác nhau, trong khi việc khai thác khoáng sản trực tiếp tạo ra các sản phẩm phụ độc hại.
Để khắc phục những nhược điểm này và tạo ra một quy trình hiệu quả hơn, nhóm của Hlova đã sử dụng cơ hóa học.
Tyler Del Rose, nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Ames và là thành viên của nhóm nghiên cứu cho biết: “Cơ hóa học là một kỹ thuật không được sử dụng đúng mức trong các phương pháp chiết xuất”. “Thông thường nó được sử dụng để nghiền nát vật liệu ban đầu hoặc trộn các chất phản ứng, nhưng trong một số ít trường hợp, nó được sử dụng để tạo điều kiện thuận lợi cho các phản ứng hóa học”.
Mọi phản ứng hóa học đều cần năng lượng. Năng lượng đó có thể tồn tại dưới nhiều dạng, như nhiệt, ánh sáng hoặc điện. Nhưng trong trường hợp cơ hóa học, nó xuất phát từ lực cơ học. “Lực cơ học gây ra những khiếm khuyết về cấu trúc trên bề mặt vật liệu rắn”, Hlova nói. “Những điểm không hoàn hảo này trở thành những điểm phản ứng nơi phản ứng hóa học có thể xảy ra nhanh chóng và dễ dàng hơn.”
Sử dụng những nguyên tắc này, nhóm của Hlova đã phát triển MELLT. Trong quy trình được gọi là nghiền bi, các khối spodumene rắn và hóa chất phản ứng rắn, như natri cacbonat (Na2CO3), được đặt vào một buồng chứa các viên bi thép. Buồng được di chuyển theo nhiều cách khác nhau, gây ra ứng suất cắt và tác động nhanh chóng, lặp đi lặp lại giữa các vật liệu. Căng thẳng lặp đi lặp lại cuối cùng dẫn đến trạng thái năng lượng cao trong các hóa chất, khiến chúng phản ứng với nhau. Những phản ứng này tạo ra các hợp chất liti tan trong nước. Các hợp chất lithium này được chiết xuất từ sản phẩm cuối cùng bằng cách rửa bằng nước.
MELLT hợp lý hóa việc khai thác khoáng sản đá cứng, sử dụng ít năng lượng hơn đáng kể và loại bỏ các dòng chất thải độc hại. MELLT cũng nhanh hơn nhiều so với phương pháp chiết xuất bằng nước muối.
Hlova cho biết: “Cơ hóa học đưa ra một cách tiếp cận bền vững và thân thiện với môi trường hơn để tiến hành các phản ứng hóa học”. "Dự án này mang lại tiềm năng đa dạng hóa chuỗi cung ứng lithium ở Mỹ, giảm mức độ quan trọng của lithium và mở đường cho một tương lai bền vững."
Sự phát triển của MELLT là một phần trong nỗ lực hợp tác lớn hơn được CMI hỗ trợ với sự tham gia của nhiều phòng thí nghiệm quốc gia, trường đại học và đối tác trong ngành nhằm khám phá các quy trình tinh chế mới hoặc cải tiến các phương pháp chiết xuất liti từ cả đá cứng và nước muối hiện có.
Tom Lograsso, giám đốc CMI cho biết: "CMI tồn tại để phát triển các giải pháp đổi mới cho các vấn đề quan trọng của chuỗi cung ứng như vấn đề này. Công việc này là một phần trong sứ mệnh đó, cung cấp cho các ngành công nghiệp Hoa Kỳ những công nghệ sẵn có để thương mại hóa."
