Trích xuất Lithium trực tiếp: Công nghệ có thể thay đổi "cán cân" năng lượng

Trên cao nguyên Andes, nơi biên giới của Argentina, Bolivia và Chile giao nhau, những "sa mạc" muối trắng trải dài hàng nghìn kilômét. Dưới khu vực này là các hồ nước mặn chứa đến hơn 58% lượng lithium của thế giới. Trong nhiều thập kỷ, các nhà sản xuất đã trích xuất lithium bằng cách bơm nước lên mặt đất và để nước bốc hơi cho đến khi muối lithium đủ đậm đặc. Quy trình này mất từ 12 đến 18 tháng, sau khi lithium được lọc ra sẽ để lại một lượng lớn chất thải chứa các kim loại khác. Quá trình này cũng làm bay hơi gần 2 triệu lít nước, gây hại cho khu vực bản địa.

direct lithium extraction

Với thị trường xe điện và lưu trữ năng lượng đang phát triển nhanh chóng, nhu cầu về lithium sẽ tăng hơn 20 lần vào năm 2040, theo CleanTech Lithium. Nhiều công ty hiện đang phát triển các quy trình lọc hóa học hoặc vật lý để lọc lithium từ nước mặn và bơm nước mặn trở lại dưới lòng đất. Các công nghệ trích xuất lithium trực tiếp (DLE) này mất vài giờ thay vì vài tháng và có thể tăng gấp đôi sản lượng lithium từ các hoạt động bơm nước mặn hiện có. Giống như cách khai thác dầu từ đá phiến đã tạo ra bước ngoặt cho thị trường năng lượng, DLE là "công nghệ có tiềm năng thay đổi cuộc chơi cho nguồn cung cấp lithium," bởi vì nó có thể mở khóa các nguồn lithium mới, theo một báo cáo gần đây của Goldman Sachs. Nhưng trái ngược với rủi ro fracking của đá phiến, DLE mang lại lợi ích môi trường, giảm sử dụng đất và nước, và chất thải.

"Chúng tôi bơm nước mặn lên, chỉ lấy lithium và bơm nước mặn trở lại dưới lòng đất," Jeremy Patt, giám đốc công nghệ tại Summit Nanotech có trụ sở tại Calgary, nói. "Mục tiêu là không thêm hóa chất hay thay đổi nhiệt độ hoặc độ pH của nước mặn. Vì vậy, bạn thu được nhiều lithium hơn với sự xáo trộn tối thiểu."

Summit là một trong số hơn mười công ty mới đang thử nghiệm các quy trình DLE mới với mục tiêu sản xuất thương mại vào sớm nhất là năm 2025. Các nhà sản xuất lithium hàng đầu thế giới, Albemarle và SQM, dự định thử nghiệm công nghệ DLE của riêng họ trong năm nay. Tại Trung Quốc, một số dự án thương mại đã thử nghiệm công nghệ của công ty Sunresin.

Trong khi đó, các hãng sản xuất ô tô đang đầu tư để đảm bảo nguồn cung cấp lithium DLE: GM đang hỗ trợ EnergyX có trụ sở tại Austin, Texas và nhà cung cấp lithium của Tesla, Livent, có cơ sở DLE ở Argentina, trong khi BMW mua lithium từ Livent và đã đầu tư vào startup Lilac Solutions của California.

quá trình hấp phụ

Hấp phụ là quá trình chất được tách ra bề mặt của một chất rắn hoặc lỏng thông qua các lực vật lý hoặc hóa học. Quá trình này xảy ra ở bề mặt vật liệu.

Trong hấp phụ, các phân tử chỉ tương tác với bề mặt ngoại vi, không thâm nhập vào bên trong vật liệu.

Hấp phụ thường được sử dụng trong các ứng dụng như lọc và tách các chất khỏi dung dịch hoặc khí, ví dụ như việc sử dụng than hoạt tính để lọc nước.

Hầu hết các dự án DLE hiện nay dựa vào quá trình hấp phụ. Ý tưởng là bắt giữ các phân tử lithium trên bề mặt của các các vật chất có lẫn lithium. Hầu hết các công ty hiện nay sử dụng một biến thể của các chất hấp phụ nhôm được phát minh lần đầu 60 năm trước.

Chất hấp phụ nhôm là một loại vật liệu có khả năng hấp thụ các chất khác từ một dung dịch hoặc khí qua bề mặt của nó. Chúng thường được sử dụng trong các quá trình lọc và tinh sạch do khả năng hấp phụ cao và đặc tính hóa học ổn định. Cấu trúc xốp của chất hấp phụ nhôm cho phép nó có diện tích bề mặt lớn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc hấp phụ hiệu quả. Trong ngành công nghiệp chiết xuất lithium, chất hấp phụ nhôm được sử dụng để hấp thụ các ion lithium từ dung dịch nước mặn, giúp tách lithium một cách hiệu quả để sử dụng trong các ứng dụng như pin lithium-ion. Nhờ khả năng tái sử dụng và hiệu quả hấp thụ cao, chất hấp phụ nhôm đang trở thành một giải pháp quan trọng trong việc phát triển công nghệ chiết xuất lithium bền vững và thân thiện với môi trường.

Chất hấp phụ nhôm của Summit Nanotech có độ xốp cao, và bề mặt của chúng được thiết kế để tương tác điện tử với các ion lithium, Patt giải thích. Các lỗ có đường kính tương đương với ion lithium, giúp nó bắt giữ hơn 90% lithium từ nước mặn; quá trình bay hơi truyền thống chỉ thu hồi tối đa được 65%. Summit bơm nước mặn qua các cột cao hàng chục feet và được bọc bằng chất hấp phụ. Một khi chất hấp phụ đã chứa đầy lithium, kim loại được rửa sạch bằng nước ấm, để lại chất hấp phụ được tái sử dụng và nước được tái chế. "Chất hấp phụ độc quyền và quy trình thu hồi nước của chúng tôi là hai trụ cột công nghệ lớn," Patt nói.

Trong năm năm kể từ khi được thành lập, Summit đã tăng cường công nghệ của mình và tích hợp nó vào một nhà máy thử nghiệm ở Santiago, Chile, nơi họ đưa nước mặn đến bằng xe tải. Hiện nay, công ty đang xây dựng một nhà máy thử nghiệm có khả năng xử lý 25 mét khối nước mặn mỗi ngày và đang lập kế hoạch cho nhà máy thương mại đầu tiên.

Livent và SunResin sử dụng chất hấp phụ nhôm của riêng họ. Ba nhà sản xuất lithium Trung Quốc đã sử dụng công nghệ của SunResin, và thêm năm dự án khác đang được triển khai, theo Goldman Sachs.

các Công nghệ DLE tiếp tục được đổi mới

Startup của California, Lilac Solutions, đang áp dụng một phương pháp DLE khác gọi là trao đổi ion. Công ty sử dụng các hạt nhỏ trông giống hệt các hạt hấp phụ nhưng hoạt động hoàn toàn khác biệt, theo CEO David Snydacker. Các hạt hấp thụ lithium đổi lấy một ion hydro. Sau đó, công ty sử dụng một axit loãng để làm sạch lithium.

Trao đổi ion là một quy trình phổ biến, được sử dụng cho các mục đích hàng ngày như trong máy làm mềm nước gia đình. Nhưng phát triển một vật liệu trao đổi ion cho lithium là một thành công lớn, Snydacker nói. "Trong 20 năm, các công ty đã cố gắng làm cho trao đổi ion hoạt động." Chỉ có các vật liệu gốm, những vật liệu không kim loại, không hữu cơ được tạo ra chủ yếu từ các nguyên tố khoáng sét thông qua quá trình nung, có thể hấp thụ lithium với độ chọn lọc cao, nhưng thách thức là cần tạo một loại gốm có thể tồn tại trong nước mặn và các axit tẩy rửa. Mặc dù các vật liệu gốm trao đổi ion trước đây chỉ tồn tại được 10 chu kỳ, vật liệu của Lilac tồn tại hơn 2.000 chu kỳ.

Nhà phát triển lithium của Úc, Lake Resources, hiện đang thử nghiệm công nghệ của Lilac tại hai địa điểm dự án xa xôi, và Ford đã ký một thỏa thuận mua 25.000 tấn lithium mỗi năm từ một trong những dự án này. Snydacker nói Lilac đang lắp đặt một nhà máy thử nghiệm thứ ba tại "một trong những nguồn tài nguyên lithium lớn nhất thế giới," và công ty sẽ công bố các dự án khách hàng lớn khác trong những tháng tới.

Những gã khổng lồ trong ngành dầu khí cũng đang bắt đầu mở rộng sang lithium, theo Financial Times. ExxonMobil gần đây đã mua các mỏ nước mặn chứa lithium ở Arkansas, và Chevron cũng đang xem xét sản xuất lithium.

Theo Holly Stower, một nhà phân tích tại Cleantech Group, khả năng tiếp cận với các nguồn lithium đa dạng trong nước là điều đặc biệt quan trọng đối với chính phủ Hoa Kỳ. "Khi Hoa Kỳ chuyển đổi sang một nền kinh tế ít carbon, Bộ Năng Lượng muốn đảm bảo rằng họ có nguồn cung cấp lithium ổn định và an toàn, không bị ảnh hưởng bởi rủi ro địa chính trị, và DLE cho phép điều đó".

Bộ Năng Lượng đang đầu tư hàng triệu đô la vào các công nghệ DLE mới để trích xuất lithium từ nước mặn địa nhiệt ở Hoa Kỳ, như Biển Salton ở California, mà Phòng thí nghiệm Năng lượng tái tạo Quốc gia ước tính có thể cung cấp hơn 24.000 tấn lithium mỗi năm. Quỹ lớn nhất của Bộ Năng Lượng là 5 triệu đô la Mỹ đã được trao cho EnergyX, công ty cũng nhận được 50 triệu đô la từ General Motors. Công ty sử dụng một loạt công nghệ bao gồm hấp phụ và một màng nan công nghệ được cấp bằng sáng chế có thể tách biệt lithium gần như ngay lập tức trong một hoặc hai ngày.

Trích xuất Lithium Trực Tiếp (DLE) đại diện cho một bước tiến quan trọng trong ngành khai thác lithium, mở ra hướng tiếp cận mới với hiệu quả và bền vững cao hơn. Qua việc giảm thiểu tác động môi trường và tăng cường hiệu suất sản xuất, DLE không chỉ đáp ứng nhu cầu lithium ngày càng tăng của thị trường năng lượng sạch mà còn thúc đẩy sự phát triển của công nghệ pin tiên tiến. Khi thế giới tiếp tục chuyển dịch sang năng lượng tái tạo và phương tiện điện, việc áp dụng rộng rãi công nghệ DLE sẽ đóng vai trò then chốt trong việc đảm bảo nguồn cung cấp lithium bền vững, làm cơ sở cho một tương lai năng lượng xanh và hiệu quả hơn.

Ngân hàng gen 5.000 người cổ đại giải mã bệnh đa xơ cứng

Magma: Nguồn năng lượng địa nhiệt vô tận

Pin hạt nhân: Kích cỡ đồng xu, chạy 50 năm không cần sạc