Revolutionäre Membrantechnologie extrahiert Lithium aus Wasser

Argonne National Laboratory, Lemont, IL, und University of Chicago, IL

H-förmige Zelle zur Untersuchung von Membrantransportverhalten – eine Hälfte hat Salzwassermischung (blaue Flüssigkeit), die andere zeigt Ergebnis nach Membrantrennung (klare Flüssigkeit). Links nach rechts: Seth Darling und Yining Liu. (Bild: Argonne National Laboratory)

Lithium, das leichteste Metall im Periodensystem, spielt eine entscheidende Rolle im modernen Leben. Sein niedriges Gewicht und hohe Energiedichte machen es ideal für Elektrofahrzeuge, Handys, Laptops und Militärtechnologien, wo jedes Gramm zählt. Da die Nachfrage nach Lithium in die Höhe schießt, wachsen Bedenken über Versorgung und Zuverlässigkeit.

Um der steigenden Nachfrage und möglichen Lieferkettenproblemen zu begegnen, haben Wissenschaftler am U.S. Department of Energy's (DOE) Argonne National Laboratory eine innovative Membrantechnologie entwickelt, die Lithium effizient aus Wasser extrahiert. Mehrere Teammitglieder halten auch gemeinsame Positionen an der Pritzker School of Molecular Engineering (PME) an der University of Chicago.

„Die neue Membran, die wir entwickelt haben, bietet eine potenziell kostengünstige und reichlich verfügbare Alternative für Lithiumextraktion hier im Inland“, sagte Seth Darling, Chief Science and Technology Officer für Argonnes Advanced Energy Technologies Directorate. Er ist auch Direktor des Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center an Argonne und PME Senior Scientist.

Derzeit stammt der Großteil des weltweiten Lithiums aus Hartgesteinabbau und Salzseen in nur wenigen Ländern, was Lieferketten anfällig für Störungen macht. Doch der Großteil des Erd-Lithiums ist tatsächlich in Meerwasser und unterirdischen Salzwasserreserven gelöst. Das Problem? Die Extraktion aus diesen unkonventionellen Quellen war prohibitiv teuer, energiehungrig und ineffizient. Traditionelle Methoden kämpfen damit, Lithium von anderen, häufigeren Elementen wie Natrium und Magnesium zu trennen.

In Salzwasser existieren Lithium und andere Elemente als Kationen. Das sind Atome, die ein oder mehrere Elektronen verloren haben, was ihnen eine positive elektrische Ladung gibt. Der Schlüssel zur effizienten Lithiumextraktion liegt im Herausfiltern der anderen Kationen basierend auf sowohl Größe als auch Ladungsgrad.

Atomare Struktur der Vermikulit-Membran zeigt 2D-Lagen, gestützt durch Aluminiumoxid-Säulen. Gelbe Kugeln sind dotierte Natriumionen. (Bild: Argonne National Laboratory)

Die neue Membran bietet eine vielversprechende kostengünstige Lösung. Sie besteht aus Vermikulit, einem natürlich reichlich vorkommenden Ton, der nur etwa 350 Dollar pro Tonne kostet. Das Team entwickelte einen Prozess, um den Ton in ultradünne Schichten – nur ein Milliardstel Meter dick – abzuschälen und sie dann neu zu stapeln, um eine Art Filter zu bilden. Diese Schichten sind so dünn, dass sie als 2D betrachtet werden.

Aber es gab einen Haken: Unbehandelt fallen die Tonschichten in Wasser innerhalb einer halben Stunde auseinander aufgrund ihrer starken Affinität zu ihm.

Um dieses Problem zu lösen, fügten Forscher mikroskopische Aluminiumoxid-Säulen zwischen die Schichten ein, was der Struktur das Aussehen eines im Bau befindlichen Hochhaus-Parkhauses verleiht – mit vielen festen Säulen, die jeden „Boden“ an Ort und Stelle halten. Diese Architektur verhindert Kollaps und neutralisiert die negative Oberflächenladung der Membran, ein entscheidender Schritt für nachfolgende Modifikationen.

Als Nächstes wurden Natriumkationen in die Membran eingeführt, wo sie sich um die Aluminiumoxid-Säulen ansiedelten. Dies änderte die Oberflächenladung der Membran von neutral zu positiv. In Wasser tragen sowohl Magnesium- als auch Lithiumionen eine positive Ladung, aber Magnesiumionen tragen eine höhere Ladung (+2) im Vergleich zu Lithiums (+1). Die positiv geladene Membranoberfläche stößt die höher geladenen Magnesiumionen stärker ab als die Lithiumionen. Dieser Unterschied ermöglicht es der Membran, Lithiumionen leichter einzufangen, während Magnesiumionen draußen bleiben.

Um die Performance weiter zu verfeinern, fügte das Team noch mehr Natriumionen hinzu. Dies verringerte die Porengröße der Membran. Das Resultat: Die Membran lässt kleinere Ionen wie Natrium und Kalium passieren, während sie die größeren Lithiumionen einfängt.

„Filtern nach sowohl Ionengröße als auch Ladung kann unsere Membran Lithium aus Wasser mit viel größerer Effizienz herausziehen“, sagte Erstautor Yining Liu, Ph.D.-Kandidat an der UChicago und Mitglied des AMEWS-Teams. „Eine solche Membran könnte unsere Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten reduzieren und die Tür zu neuen Lithiumreserven an Orten öffnen, die wir nie in Betracht zogen.“

Die Forscher glauben, dass dieser Durchbruch breitere Anwendungen haben könnte, von der Rückgewinnung anderer Schlüsselmaterialien wie Nickel, Kobalt und Seltenen Erden bis hin zur Entfernung schädlicher Verunreinigungen aus Wasserversorgungen.

„Es gibt viele Arten dieses Tonmaterials“, sagte Liu. „Wir erforschen, wie es helfen könnte, kritische Elemente aus Meerwasser und Salzseebrinen zu sammeln oder sogar unser Trinkwasser zu reinigen.“

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