Phương pháp mới để khai thác lithium bền vững có thể giảm 75% lượng khí thải
Courtney Robinson, Đại học Tiểu bang Pennsylvania
Cơ chế hoạt động của quá trình thẩm thấu điện hóa và công nghệ tiên tiến để khai thác Li từ nguyên liệu spodumene. Nguồn: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48867-0
Với dòng điện và hydro peroxide, các nhà nghiên cứu tại Penn State đã phát triển một phương pháp hiệu quả hơn để khai thác lithium, một thành phần chính trong pin được sử dụng trong xe điện và thiết bị điện cầm tay, trực tiếp từ quặng có trong khoáng chất spodumene phổ biến. Theo nhóm nghiên cứu do Feifei Shi, phó giáo sư kỹ thuật năng lượng tại Penn State, đứng đầu, quy trình này có thể giúp giảm 35,6% chi phí và giảm 75,3% lượng khí thải CO2 so với các phương pháp khai thác truyền thống, kém bền vững hơn.
Các nhà nghiên cứu đã công bố những phát hiện của họ trên tạp chí Nature Communications.
Có hai cách phổ biến để khai thác lithium: thông qua các hồ nước muối lớn hoặc từ quặng lithium chôn trong các khối đá. Hiện nay, 70% lithium được khai thác thông qua nước muối do chi phí thấp, nhưng cả hai đều có tác động tiêu cực đáng kể, theo các nhà nghiên cứu.
Phương pháp nước muối có thể mất nhiều tháng và thường bao gồm việc làm bay hơi các hồ lớn dung dịch muối có nồng độ cao và tách muối lithium khỏi natri về mặt hóa học. Theo Zhang, sau khi dung dịch bốc hơi hoàn toàn, phần đất còn lại trở nên gần như cằn cỗi và không thể nuôi dưỡng nhiều loại thực vật.
Phương pháp truyền thống khác là chiết xuất lithium từ quặng, đòi hỏi axit hoặc bazơ mạnh và nhiệt độ cực cao lên tới 1.100 độ C. Ở nhiệt độ cao, mật độ nguyên tử của spodumene bị giảm, do đó axit có thể tạo điều kiện cho các phản ứng hóa học cần thiết để thay thế các ion lithium bằng các ion hydro, giải phóng lithium để chiết xuất. Theo các nhà nghiên cứu, việc duy trì nhiệt độ đó ở quy mô thương mại đòi hỏi mức tiêu thụ năng lượng đáng kể, trong khi nhu cầu về axit có nồng độ cao làm tăng thêm chi phí và nguy cơ về an toàn.
"Đầu tiên, hãy nghĩ đến cơ sở hạ tầng chịu tải nặng cần thiết để chịu được nhiệt độ đó hàng ngày; nó tốn kém và có khả năng gây nguy hiểm cho người lao động", Shi nói. "Thứ hai, chúng ta không thể đánh đổi môi trường chỉ để sản xuất lithium. Tiềm năng của một cách bền vững hơn để tạo ra xe điện có thể đóng vai trò là hệ số nhân và giúp chúng ta đạt được mức phát thải ròng bằng 0".
Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu áp dụng trường điện vào khoáng chất để điện hóa chiết xuất hoặc hòa tan các nguồn tài nguyên lithium thể rắn thành dạng lỏng có thể hòa tan. So với các phương pháp chiết xuất truyền thống, việc hòa tan các ion thông qua điện hóa học không yêu cầu nhiệt độ cao, áp suất cao hoặc nồng độ cao của tác nhân chiết xuất để thay đổi trạng thái tự nhiên của khoáng chất.
Trong các thử nghiệm đầu tiên, các electron kích thích hiện tại trong khoáng chất đã giải phóng một số ion lithium nhưng không đủ để mở rộng phương pháp tiếp cận cho một ứng dụng thương mại được tối ưu hóa. Shi khuyến nghị sử dụng hydro peroxide để thúc đẩy quá trình chiết xuất, điều này sẽ làm giảm các rào cản của phản ứng chiết xuất và tạo điều kiện cho quá trình vận chuyển electron hiệu quả hơn.
Hình thái, cấu trúc tinh thể và hóa học bề mặt của spodumene và tác động của chúng lên quá trình thẩm thấu điện hóa. Nguồn: Nature Communications (2024). DOI: 10.1038/s41467-024-48867-0
Trong nghiên cứu của mình, các nhà nghiên cứu đã quan sát thấy hiệu suất 92,2%, tương đương với các phương pháp truyền thống. Tuy nhiên, phương pháp của họ đòi hỏi ít thời gian xử lý hơn vì chất trung gian không thêm tạp chất cần phải tách thêm.
"Việc chiết xuất lithium từ nước muối đòi hỏi bạn phải đợi nước bốc hơi chậm, bạn không thể kiểm soát tốc độ sản xuất muối và bạn chỉ có thể tạo ra nhiều hơn bằng cách tăng diện tích bề mặt—do đó, nhiều ao muối hơn và nhiều tác động tiêu cực hơn", Shi cho biết. "Tuy nhiên, với phương pháp của chúng tôi, chúng tôi có thể thêm nhiều spodumene tùy thích và chỉ cần tăng dòng điện để tạo ra hoặc đẩy nhanh phản ứng thẩm thấu".
Zhen Lei, giáo sư kinh tế năng lượng và môi trường tại Penn State và là đồng tác giả của nghiên cứu, đã nhấn mạnh đến khả năng giảm chi phí và lượng khí thải carbon so với các phương pháp hiện tại.
"Một yếu tố chính để tiết kiệm chi phí và giảm phát thải là phương pháp của chúng tôi chỉ sử dụng điện và rất hiệu quả, không giống như phương pháp hiện tại sử dụng cả điện và khí đốt tự nhiên làm năng lượng đầu vào", Lei cho biết. "Một yếu tố chính khác để tiết kiệm chi phí là phương pháp của chúng tôi sử dụng ít hóa chất hơn nhiều. Nếu phương pháp của chúng tôi có thể hoạt động tốt trong quá trình khai thác lithium quy mô lớn, thì nó có tiềm năng lớn trong việc giảm dấu chân môi trường".
Đối với Zhang, bước tiếp theo là phát triển một phương pháp điện hóa để thu hồi lithium một cách có chọn lọc thành các tiền chất rắn như lithium clorua hoặc lithium hydroxide mà ngành công nghiệp có thể sử dụng trực tiếp.
"Rửa trôi chỉ là chương đầu tiên", Zhang cho biết. "Chúng tôi đã chiết xuất lithium từ quặng thành nước, bây giờ chúng tôi cần phát triển nó thành pha rắn để hoàn thành câu chuyện."
Shi cho biết sẽ còn nhiều công việc và nghiên cứu bổ sung tại Penn State.
"Chúng tôi thực sự nghĩ rằng đây là một cuộc cách mạng", Shi cho biết. "Điện hóa học sẽ mở ra cánh cửa cho nhiều nghiên cứu liên ngành thú vị về khai thác hoặc chế biến khoáng sản".
Những người đóng góp khác tại Penn State bao gồm Jianwei Lai, một sinh viên sau đại học về kỹ thuật năng lượng và khoáng sản; Yang Yang, phó giáo sư khoa học kỹ thuật và cơ học; và trợ lý nghiên cứu Joseph Wolf, sinh viên đại học về kỹ thuật năng lượng và khoáng sản. Ying Han, là học giả sau tiến sĩ về khoa học kỹ thuật và cơ học tại Penn State vào thời điểm nghiên cứu và hiện đang làm việc tại Đại học California Irvine, cũng đã đóng góp.
