Ít có nguyên tố nào quan trọng đối với quá trình chuyển đổi năng lượng sạch như lithium, và nhu cầu toàn cầu đối với kim loại này đang tăng vọt. Lithium cung cấp năng lượng cho các loại pin sạc bên trong xe điện cũng như các hệ thống lưu trữ quy mô lớn cho phép điện từ năng lượng mặt trời và gió được sử dụng ngay cả khi mặt trời lặn hoặc gió ngừng thổi.

Tuy nhiên, các phương pháp sản xuất lithium hiện nay diễn ra chậm và đòi hỏi nguồn nguyên liệu chất lượng cao chỉ có ở một số ít nơi trên Trái Đất. Trớ trêu thay, chi phí môi trường cũng rất đáng kể. Việc tinh chế khoáng sản phục vụ năng lượng sạch cần diện tích đất lớn và có thể gây ô nhiễm nguồn nước mà cộng đồng địa phương phụ thuộc vào.

Trong một bài báo mới, các nhà nghiên cứu từ Columbia Engineering mô tả một phương pháp chiết xuất lithium có thể rút ngắn đáng kể thời gian xử lý, khai mở các trữ lượng mà các phương pháp hiện tại không thể tiếp cận và giảm tác động môi trường. Kỹ thuật của họ sử dụng một dung môi nhạy cảm với nhiệt độ để chiết xuất trực tiếp lithium từ nước muối trong các mỏ trầm tích trên khắp thế giới.

Hình: scitechdaily.com

Không giống các công nghệ hiện tại, cách tiếp cận này có thể chiết xuất lithium hiệu quả ngay cả khi nồng độ rất thấp hoặc khi lithium bị trộn lẫn với các vật chất có tính chất hóa học tương tự.

Kết quả được trình bày trong một bài báo đăng trên tạp chí Joule cho thấy đổi mới này — được gọi là phương pháp chiết xuất chọn lọc bằng dung môi chuyển đổi (switchable solvent selective extraction – S3E, đọc là “S ba E”) — có khả năng chọn lọc lithium rất cao: cao gấp tới 10 lần so với natri và 12 lần so với kali. Quá trình này cũng loại bỏ magiê, một tạp chất phổ biến trong nước muối chứa lithium, bằng cách kích hoạt bước kết tủa hóa học để tách magiê ra.

Cải tiến so với phương pháp bay hơi bằng năng lượng mặt trời

Khoảng 40% sản lượng lithium toàn cầu bắt đầu từ các nguồn nước muối mặn được lưu trữ trong những hồ chứa ngầm lớn dưới các sa mạc. Gần như toàn bộ lượng lithium này được chiết xuất bằng kỹ thuật gọi là bay hơi bằng năng lượng mặt trời, trong đó nước muối được bơm vào các ao rộng lớn và phơi dưới nắng sa mạc — đôi khi kéo dài tới hai năm — cho đến khi đủ lượng nước bay hơi.

Phương pháp này chỉ khả thi ở những vùng khô, bằng phẳng và có diện tích đất rất lớn, chẳng hạn như sa mạc Atacama của Chile hoặc một số khu vực ở bang Nevada. Nó cũng tiêu tốn lượng nước lớn ở những nơi vốn đã khan hiếm.

“Không có cách nào chỉ dựa vào bay hơi bằng năng lượng mặt trời mà đáp ứng được nhu cầu trong tương lai,” Ngai Yin Yip, Phó Giáo sư La Von Duddleson Krumb ngành Kỹ thuật Trái Đất và Môi trường tại Đại học Columbia, cho biết. “Và có những nguồn nước muối giàu lithium đầy hứa hẹn, như ở biển Salton tại California, nơi phương pháp này đơn giản là không thể áp dụng.”

Không giống các phương pháp thu hồi lithium truyền thống, S3E không phụ thuộc vào các hóa chất liên kết hay các bước xử lý hậu kỳ phức tạp. Thay vào đó, quá trình này tận dụng cách các ion lithium tương tác với các phân tử nước trong một hệ dung môi có thể thay đổi hành vi theo nhiệt độ.

Ở nhiệt độ phòng, dung môi sẽ kéo lithium và nước ra khỏi nước muối. Khi được làm nóng, nó giải phóng lithium cùng với nước vào một dòng tinh khiết hơn và đồng thời tự tái tạo để có thể sử dụng lại.

Một cách tiếp cận có tiềm năng rất lớn

Trong các thử nghiệm trong phòng thí nghiệm sử dụng nước muối tổng hợp mô phỏng khu vực biển Salton — một vùng địa nhiệt ở Nam California được ước tính chứa đủ lithium để cung cấp cho hơn 375 triệu pin xe điện — hệ thống này đã thu hồi gần 40% lượng lithium chỉ sau bốn chu kỳ sử dụng cùng một mẻ dung môi. Hiệu suất đó cho thấy tiềm năng vận hành liên tục trong tương lai.

“Đây là một cách mới để thực hiện chiết xuất lithium trực tiếp,” Yip nói. “Nó nhanh, có tính chọn lọc cao và dễ mở rộng quy mô. Đồng thời có thể vận hành bằng nguồn nhiệt cấp thấp từ chất thải hoặc từ các bộ thu năng lượng mặt trời.”

Nhóm nghiên cứu nhấn mạnh rằng đây mới chỉ là một nghiên cứu chứng minh khái niệm. Hệ thống vẫn chưa được tối ưu hóa về sản lượng hay hiệu suất. Tuy nhiên, ngay ở giai đoạn ban đầu này, S3E đã cho thấy đủ triển vọng để trở thành một giải pháp thay thế cho các ao bay hơi và khai thác đá cứng — hai phương pháp đang chi phối chuỗi cung ứng lithium hiện nay nhưng đi kèm nhiều đánh đổi lớn.

Khi quá trình chuyển đổi sang năng lượng sạch toàn cầu tăng tốc, những công nghệ như S3E có thể đóng vai trò quan trọng trong việc giữ cho tiến trình này đi đúng hướng — bằng cách cho phép chiết xuất lithium nhanh hơn, sạch hơn và từ nhiều địa điểm hơn bao giờ hết.

“Chúng ta nói rất nhiều về năng lượng xanh,” Yip nói. “Nhưng hiếm khi nói về việc một số chuỗi cung ứng lại ‘bẩn’ đến mức nào. Nếu muốn có một quá trình chuyển đổi thực sự bền vững, chúng ta cần những cách sạch hơn để khai thác các vật liệu mà nó phụ thuộc. Đây là một bước đi theo hướng đó.”

(https://scitechdaily.com/)