Revolutionäre Membrantechnologie extrahiert Lithium aus Wasser

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

H-förmige Zelle zur Untersuchung des Membrantransportverhaltens – eine Hälfte enthält eine Salzwassermischung (blaue Flüssigkeit), die andere zeigt das Ergebnis nach der Membrantrennung (klare Flüssigkeit). Von links nach rechts:Seth Darling und Yining Liu. (Bild:Argonne National Laboratory)

Lithium, das leichteste Metall im Periodensystem, spielt im modernen Leben eine zentrale Rolle. Sein geringes Gewicht und seine hohe Energiedichte machen es ideal für Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone, Laptops und militärische Technologien, bei denen jedes Gramm zählt. Da die Nachfrage nach Lithium sprunghaft ansteigt, wachsen die Bedenken hinsichtlich der Versorgung und Zuverlässigkeit.

Um die steigende Nachfrage und mögliche Lieferkettenprobleme zu decken, haben Wissenschaftler am Argonne National Laboratory des US-Energieministeriums (DOE) eine innovative Membrantechnologie entwickelt, die Lithium effizient aus Wasser extrahiert. Mehrere Teammitglieder haben auch gemeinsame Termine mit 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 vorhandene Alternative für die Lithiumgewinnung hier zu Hause“, sagte Seth Darling, Chief Science and Technology Officer der Abteilung Advanced Energy Technologies von Argonne. Er ist außerdem Direktor des Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Center in Argonne und leitender Wissenschaftler am PME.

Derzeit stammt der Großteil des weltweiten Lithiums aus dem Hartgesteinsabbau und aus Salzseen in nur wenigen Ländern, wodurch die Lieferketten anfällig für Störungen sind. Doch der größte Teil des Lithiums der Erde ist tatsächlich im Meerwasser und in unterirdischen Salzwasserreserven gelöst. Das Problem? Die Gewinnung aus diesen unkonventionellen Quellen war unerschwinglich teuer, energieintensiv und ineffizient. Herkömmliche Methoden haben Schwierigkeiten, Lithium von anderen, häufiger vorkommenden Elementen wie Natrium und Magnesium zu trennen.

Im Salzwasser liegen Lithium und andere Elemente als Kationen vor. Dabei handelt es sich um Atome, die ein oder mehrere Elektronen verloren haben und dadurch eine positive elektrische Ladung erhalten. Der Schlüssel zur effizienten Lithiumextraktion liegt im Herausfiltern der anderen Kationen basierend auf Größe und Ladungsgrad.

Atomare Struktur einer Vermiculitmembran mit 2D-Schichten, die von Aluminiumoxidsäulen getragen werden. Gelbe Kugeln sind mit Natriumionen dotiert. (Bild:Argonne National Laboratory)

Die neue Membran bietet eine vielversprechende kostengünstige Lösung. Es wird aus Vermiculit hergestellt, einem natürlich vorkommenden Ton, der nur etwa 350 US-Dollar pro Tonne kostet. Das Team entwickelte ein Verfahren, um den Ton in ultradünne Schichten – nur einen Milliardstel Meter dick – zu schälen und sie dann wieder zu schichten, um eine Art Filter zu bilden. Diese Schichten sind so dünn, dass sie als zweidimensional gelten.

Doch es gab einen Haken:Unbehandelt zerfallen die Tonschichten im Wasser aufgrund ihrer starken Affinität dazu innerhalb einer halben Stunde.

Um dieses Problem zu lösen, fügten die Forscher mikroskopisch kleine Aluminiumoxidsäulen zwischen die Schichten ein, die der Struktur das Aussehen eines im Bau befindlichen Hochhausparkplatzes verliehen – mit vielen massiven Säulen, die jede „Etage“ an Ort und Stelle halten. Diese Architektur verhindert einen Kollaps und neutralisiert gleichzeitig die negative Oberflächenladung der Membran, ein entscheidender Schritt für nachfolgende Modifikationen.

Als nächstes wurden Natriumkationen in die Membran eingeführt, wo sie sich um die Aluminiumoxidsäulen ansiedelten. Dadurch änderte sich die Oberflächenladung der Membran von neutral zu positiv. In Wasser tragen sowohl Magnesium- als auch Lithiumionen eine positive Ladung, Magnesiumionen tragen jedoch eine höhere Ladung (+2) als Lithiumionen (+1). Die positiv geladene Oberfläche der Membran stößt die höher geladenen Magnesiumionen stärker ab als die Lithiumionen. Dieser Unterschied ermöglicht es der Membran, Lithium-Ionen leichter einzufangen, während Magnesium-Ionen ferngehalten werden.

Um die Leistung weiter zu verbessern, fügte das Team noch mehr Natriumionen hinzu. Dadurch verringerte sich die Porengröße der Membran. Das Ergebnis ist, dass die Membran kleinere Ionen wie Natrium und Kalium passieren lässt, während sie die größeren Lithiumionen auffängt.

„Durch die Filterung sowohl nach Ionengröße als auch nach Ladung kann unsere Membran Lithium mit viel größerer Effizienz aus dem Wasser ziehen“, sagte Erstautor Yining Liu, ein Ph.D. Kandidat bei UChicago und Mitglied des AMEWS-Teams. „Eine solche Membran könnte unsere Abhängigkeit von ausländischen Lieferanten verringern und die Tür zu neuen Lithiumreserven an Orten öffnen, an die wir nie gedacht hätten.“

Die Forscher glauben, dass dieser Durchbruch breitere Anwendungsmöglichkeiten haben könnte, von der Rückgewinnung anderer wichtiger Materialien wie Nickel, Kobalt und Seltenerdelemente bis hin zur Entfernung schädlicher Verunreinigungen aus der Wasserversorgung.

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

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