Vědci mění odpad na čistý lithium

Tým z Rice University vyvinul metodu, která přeměňuje odpad na vysoce čisté lithium. Proces je rychlý, šetří vodu a přispívá k udržitelnější výrobě baterií.

V chemii existují problémy, které jsou tak přetrvávající, že si vysloužily přezdívku „věčné“. Perfluorované a polyfluorované alkylové látky (PFAS) jsou notoricky známé environmentální problémy. Tyto sloučeniny přetrvávají v půdě, kontaminují pitnou vodu a prosluly svou odolností vůči rozkladu.

Tým z Rice University, vedený chemikem Jamesem Tourem a výzkumníkem Yi Chengem, však našel způsob, jak tyto toxické látky proměnit ve špičkový nástroj. V nové studii jejich proces využívá odpadní PFAS k extrakci lithia z vysoce slaných solanek. Jedná se o klasický příklad využití jednoho odpadního proudu k řešení nedostatku jiného.

„Extrakce lithia ze solanky může být méně škodlivá pro životní prostředí než konvenční těžba, ale stále čelí výzvám, jako je selektivita, náklady a spotřeba vody. Viděli jsme příležitost využít fluor vázaný v PFAS k získání lithia rychlým procesem s nižším dopadem,“ uvedl Cheng, první autor studie.

Proces začíná s použitým aktivním uhlím – materiálem, který se používá k filtrování PFAS z hasicí pěny a vody. Obvykle se toto uhlí, jakmile je nasycené, považuje za nebezpečný odpad. Tým z Rice University to však viděl jinak – jako zdroj fluoru.

Součástí procesu bylo smíchání uhlí nasyceného PFAS s vysoce slanou solankou, čímž vzniklo jedinečné reakční prostředí, ve kterém mohly být uvolněny vázané fluoridové anionty, aby se navázaly na lithiové kationty. Tento přístup „odpadu k hodnotě“ přeměňuje problematický vedlejší produkt čištění vody na klíčový vstup pro dodavatelský řetězec baterií.

„V solance se nacházel cenný kation, lithium, ve formě soli. Použité uhlí obsahuje fluor, anion, vázaný uvnitř molekul PFAS. Chtěli jsme tento fluor uvolnit a spojit ho s uvolněným lithiem, abychom mohli shromáždit výslednou sůl, fluorid lithný,“ vysvětlil Cheng.

K uvolnění fluoru tým využil techniku Flash Joule Heating. Směs zasáhli vysokoenergetickým pulsem, který během milisekund zvýšil teplotu nad 1 000 °C (1 832 °F). Intenzivní teplo přeruší silné vazby uhlík-fluor. Jakmile jsou volné, atomy fluoru hledají nového partnera a nacházejí ho v lithiu obsaženém v solance, čímž tvoří fluorid lithný.

Získání lithia do formy soli je jen polovina bitvy. Solanka je složitá směs vápníku, hořčíku a draslíku. K oddělení „bílého zlata“ z této směsi tým znovu zapnul ohřev. Zahřátím směsi na specifické rozmezí mezi 1 676 °C (3 048 °F) a 2 260 °C (4 100 °F) se jim podařilo odpařit fluorid lithný, zatímco těžší nečistoty, jako jsou fluoridy hořčíku a vápníku, zůstaly v pevném stavu.

Tato rychlá blesková destilace zachytila těkavý proud lithia s 99% čistotou a dosáhla 82% míry zisku během pouhých sekund. Tým dokonce testoval konečný produkt v reálných lithium-iontových bateriích. Získaný fluorid lithný byl integrován do standardních elektrolytů baterií. Rozsáhlé testování potvrdilo, že tento recyklovaný zdroj zlepšil stabilitu a výkon lithium-iontových baterií ve srovnání s konvenčními materiály.