Tecnologia revolucionária de membrana extrai lítio da água

Laboratório Nacional de Argonne, Lemont, IL, e Universidade de Chicago, IL
Célula em forma de H para estudar o comportamento de transporte da membrana - metade contém uma mistura de água salgada (líquido azul), a outra mostra o resultado após a separação da membrana (líquido transparente). Da esquerda para a direita:Seth Darling e Yining Liu. (Imagem:Laboratório Nacional de Argonne)
O lítio, o metal mais leve da tabela periódica, desempenha um papel fundamental na vida moderna. Seu baixo peso e alta densidade de energia o tornam ideal para veículos elétricos, celulares, laptops e tecnologias militares onde cada grama conta. À medida que a procura por lítio dispara, crescem as preocupações com o fornecimento e a fiabilidade.

Para ajudar a atender à crescente demanda e a possíveis problemas na cadeia de abastecimento, cientistas do Laboratório Nacional Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE) desenvolveram uma tecnologia de membrana inovadora que extrai eficientemente o lítio da água. Vários membros da equipe também ocupam cargos conjuntos na Escola Pritzker de Engenharia Molecular (PME) da Universidade de Chicago.

“A nova membrana que desenvolvemos oferece uma alternativa potencial, de baixo custo e abundante para a extração de lítio aqui em casa”, disse Seth Darling, Diretor de Ciência e Tecnologia da diretoria de Tecnologias de Energia Avançada de Argonne. Ele também é Diretor do Centro de Pesquisa de Fronteira Energética de Materiais Avançados para Sistemas de Energia-Água (AMEWS) em Argonne e Cientista Sênior da PME.

Neste momento, a maior parte do lítio mundial provém da mineração de rochas duras e de lagos salgados em apenas alguns países, deixando as cadeias de abastecimento vulneráveis a perturbações. No entanto, a maior parte do lítio da Terra está, na verdade, dissolvida na água do mar e nas reservas subterrâneas de água salgada. O problema? Extraí-lo destas fontes não convencionais tem sido proibitivamente caro, consome muita energia e é ineficiente. Os métodos tradicionais lutam para separar o lítio de outros elementos mais abundantes, como o sódio e o magnésio.

Na água salgada, o lítio e outros elementos existem como cátions. São átomos que perderam um ou mais elétrons, o que lhes confere uma carga elétrica positiva. A chave para a extração eficiente de lítio reside na filtragem dos outros cátions com base no tamanho e no grau de carga.
Estrutura atômica da membrana de vermiculita mostrando camadas 2D sustentadas por pilares de óxido de alumínio. As bolas amarelas são dopadas com íon sódio. (Imagem:Laboratório Nacional de Argonne)
A nova membrana oferece uma solução promissora de baixo custo. É feito de vermiculita, uma argila naturalmente abundante que custa apenas cerca de US$ 350 por tonelada. A equipe desenvolveu um processo para separar a argila em camadas ultrafinas – com apenas um bilionésimo de metro de espessura – e depois empilhá-las novamente para formar uma espécie de filtro. Essas camadas são tão finas que são consideradas 2D.

Mas houve um problema:sem tratamento, as camadas de argila se desfazem na água em meia hora devido à sua forte afinidade com ela.

Para resolver esse problema, os pesquisadores inseriram pilares microscópicos de óxido de alumínio entre as camadas, dando à estrutura a aparência de um estacionamento em construção – com muitos pilares sólidos segurando cada “piso” no lugar. Esta arquitetura evita o colapso ao mesmo tempo que neutraliza a carga superficial negativa da membrana, um passo crucial para modificações subsequentes.

Em seguida, cátions de sódio foram introduzidos na membrana, onde se estabeleceram ao redor dos pilares de óxido de alumínio. Isso mudou a carga superficial da membrana de neutra para positiva. Na água, tanto os iões de magnésio como os de lítio transportam uma carga positiva, mas os iões de magnésio transportam uma carga mais elevada (+2) em comparação com os do lítio (+1). A superfície carregada positivamente da membrana repele os íons de magnésio com maior carga com mais força do que os íons de lítio. Essa diferença permite que a membrana capture íons de lítio com mais facilidade, mantendo os íons de magnésio afastados.

Para refinar ainda mais o desempenho, a equipe adicionou ainda mais íons de sódio. Isso diminuiu o tamanho dos poros da membrana. O resultado é que a membrana permite a passagem de íons menores, como sódio e potássio, enquanto captura os íons maiores de lítio.

“Filtrando pelo tamanho e pela carga do íon, nossa membrana pode extrair o lítio da água com muito maior eficiência”, disse o primeiro autor Yining Liu, Ph.D. candidato na UChicago e membro da equipe AMEWS. “Essa membrana poderia reduzir a nossa dependência de fornecedores estrangeiros e abrir a porta para novas reservas de lítio em lugares que nunca consideramos.”

Os investigadores acreditam que esta descoberta poderá ter aplicações mais amplas, desde a recuperação de outros materiais importantes, como níquel, cobalto e elementos de terras raras, até à remoção de contaminantes nocivos do abastecimento de água.

“Existem muitos tipos deste material argiloso”, disse Liu. “Estamos explorando como isso pode ajudar a coletar elementos críticos da água do mar e das salmouras dos lagos salgados ou até mesmo ajudar a limpar nossa água potável.”

Para mais informações, entre em contato com Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa do JavaScript habilitado para visualizá-lo. ou Seth Darling em Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa ter o JavaScript habilitado para visualizá-lo.