Znane od dawna związki chemiczne, zdolne do wykrywania jonów sodu, po subtelnej adaptacji mogą także wybiórczo wychwytywać lit z suchych mieszanin solnych. Naukowcy z Polski demonstrują, jak odzyskać niemal całkowicie dostępny chlorek litu z próbki symulującej odpadowe osady solne po przetworzeniu solanek.
Lit jest jednym z fundamentalnych surowców obecnej energetyki. Znajduje zastosowanie między innymi w bateriach litowo-jonowych, które napędzają urządzenia mobilne, laptopy, pojazdy elektryczne oraz systemy magazynowania energii. Wraz z dynamicznym rozwojem elektromobilności i energii odnawialnej, rośnie nie tylko zapotrzebowanie na lit, ale także na innowacyjne technologie umożliwiające jego pozyskiwanie w sposób szybszy, bardziej ekologiczny i z minimalnymi stratami.
Obecne metody produkcji litu generują znaczące obciążenia dla środowiska, zużywają dużo energii i są kosztowne ekonomicznie. Dlatego coraz większą wagę przywiązuje się do strategii, które pozwalają na efektywniejsze wykorzystanie istniejących zasobów, w tym surowców o niskiej koncentracji lub odpadów. Odzyskiwanie litu z osadów solnych mogłoby przyczynić się do zmniejszenia ilości cennego materiału traconego w procesach przemysłowych, ograniczyć potrzebę poszukiwania nowych złóż i podnieść efektywność zarządzania tym kluczowym dla transformacji energetycznej pierwiastkiem.
Główne źródła pozyskiwania litu to minerały skalne oraz naturalne solanki. Eksploatacja ze skał wymaga zastosowania wysokich temperatur i agresywnych odczynników chemicznych. Natomiast proces pozyskiwania litu z solanek często polega na długotrwałym odparowywaniu wody na rozległych obszarach. Taka procedura jest czasochłonna, wymaga specyficznych warunków klimatycznych i prowadzi do nieuniknionych strat. W typowych procesach obróbki solanek udaje się odzyskać zaledwie około połowy zawartego litu, podczas gdy reszta trafia do stałych osadów solnych, które następnie składowane są na hałdach. Problem polega na tym, że z chemicznego punktu widzenia lit występuje tam w towarzystwie licznych innych jonów. W mieszaninie tej obecne są między innymi jony sodu, potasu, magnezu i wapnia. Wszystkie one tworzą sole, z których wiele charakteryzuje się dobrą rozpuszczalnością w wodzie, a część wykazuje podobne właściwości chemiczne.
Separacja niewielkiej ilości litu od znaczącej przewagi innych komponentów przypomina próbę odnalezienia pojedynczego ziarna w worku krystalicznie wyglądujących ziarenek piasku. Konieczne jest znalezienie cząsteczki, która będzie w stanie zidentyfikować jon litu i przetransportować go do innego roztworu, pozostawiając większość pozostałych soli w miejscu.
Tym wyzwaniem zajęli się badacze z Instytutu Chemii Organicznej PAN, Uniwersytetu Kardynała Stefana Wyszyńskiego oraz Politechniki Warszawskiej. W artykule opublikowanym w prestiżowym czasopiśmie naukowym Angewandte Chemie International Edition zaprezentowali oni związki chemiczne wykazujące zdolność do selektywnego pochłaniania litu z suchych mieszanin solnych. Punktem wyjścia były dobrze znane od dawna jonofory sodowe, czyli cząsteczki wykorzystywane najczęściej do identyfikacji jonów sodu w elektrodach jonoselektywnych. W ramach nowych badań stwierdzono, że te same struktury cząsteczkowe mogą wykazywać wyraźną preferencję dla litu w roztworze.
Jonofor można przyrównać do miniaturowego chwytaka molekularnego, który wiąże jon o odpowiednich rozmiarach i ładunku. Mniejszy jon o tym samym ładunku wykazuje silniejsze oddziaływanie z atomami tlenu w cząsteczce jonoforu i lepiej dopasowuje się do przygotowanej przez nią „wnęki”. Naukowcy porównali osiem zbliżonych strukturalnie cząsteczek. Wszystkie posiadały wspólną podstawę chemiczną, ale różniły się pod względem przyłączonych fragmentów bocznych, co pozwoliło na zbadanie wpływu drobnych modyfikacji strukturalnych na proces wiązania litu.
W przypadku jednego ze zbadanych związków zaobserwowano tworzenie się stabilnego kompleksu o stosunku molowym jeden do jednego – jedna cząsteczka jonoforu na jeden jon litu. Zastosowana metoda jest w chemii określana jako ekstrakcja ciecz-ciało stałe. Suchą mieszaninę soli poddaje się działaniu cieczy organicznej zawierającej jonofor. Odpowiednio dobrany związek przenosi do tej cieczy głównie sól litu, podczas gdy większość sodu, potasu i magnezu pozostaje w pierwotnym osadzie. Takie podejście wydaje się obiecujące w kontekście hałd solnych powstających przy obróbce solanek, ubogich złóż solnych lub specyficznych odpadów poprodukcyjnych z baterii.
Naukowcy użyli około 100 gramów złożonej mieszaniny solnej, której skład odzwierciedlał profil jonowy solanki z Salar de Atacama – jednego z kluczowych światowych centrów produkcji litu. Po przeprowadzeniu dwóch etapów ekstrakcji udało im się odzyskać niemal cały dostępny chlorek litu. W publikacji podano łączny wskaźnik odzysku na poziomie około 95%, a uzyskana sucha frakcja zawierała około 95% LiCl. Zastosowany jonofor wykazywał tysiąckrotnie większe powinowactwo do przenoszenia litu do cieczy organicznej niż sodu, potasu czy magnezu, co skutkowało tym, że ich sole w przeważającej części pozostawały w wyjściowej mieszaninie. Znacznie trudniejsze okazało się oddzielenie litu od wapnia, stąd główną domieszką w odzyskanym produkcie był chlorek wapnia.
Kluczowe znaczenie ma również prostota budowy opisanych cząsteczek. Wiele wcześniejszych systemów detekcji litu było efektywnych, lecz ich skomplikowana struktura utrudniała syntezę na większą skalę. Naukowcy z Warszawy wykazali natomiast, że zastosowane jonofory posiadają budowę modułową, co oznacza, że można je stosunkowo łatwo modyfikować i produkować z powszechnie dostępnych komponentów chemicznych. W badaniach udało się uzyskać je w ilościach dochodzących do 58 gramów na jedną serię produkcyjną. Jest to istotne, ponieważ związek rozważany pod kątem zastosowania praktycznego musi być nie tylko selektywny i wydajny, ale także możliwy do efektywnego wytworzenia przy akceptowalnych kosztach. Dzięki temu podobne metody mogą w przyszłości wspierać bardziej zrównoważone zarządzanie zasobami litu i minimalizować ilość surowca traconego w odpadach solnych.(PAP)
kmp/ bar/