.jpg)
Ученые из Нанкинского университета разработали энергетически эффективную электрохимическую установку, которая позволяет извлекать литий прямо из морской воды. При этом система одновременно производит водород и накапливает часть затраченной энергии, за счет чего работает более эффективно. Такая технология открывает возможность использовать океан как практически неисчерпаемый источник лития, выступающего ключевым сырьем для аккумуляторов электромобилей и систем хранения энергии.
Мировой океан содержит около 230 млрд. тонн лития, но его концентрация в воде крайне мала и составляет около 0,17 мг на литр. Кроме того, литий растворен среди большого количества ионов натрия, калия, магния и кальция, что сильно затрудняет извлечение. Особенно трудно отделить литий от магния. Его в воде в тысячи раз больше, а по свойствам он очень похож на литий.
Существующие методы извлечения лития требуют больших затрат энергии на перенос ионов через специальные мембраны. При этом значительная часть энергии уходит на такие побочные процессы, как электролиз воды с выделением кислорода и хлора. Китайские ученые предложили изменить этот подход и не терять энергию, а накапливать ее прямо в системе. Для этого они использовали специальный электрод, способный запасать энергию в химической форме. В результате процесс извлечения лития совместили с функцией накопления энергии.
Созданная ими установка состоит из двух камер с морской водой, разделенных керамической мембраной на основе литий-алюминий-германий-фосфата, которая пропускает в основном ионы лития. В одной камере используют электрод из гидроксида никеля, а в другой применяется катализатор на основе соединений никеля и молибдена. Когда подается напряжение, ионы лития переходят через мембрану в приемный раствор, а на катоде выделяется водород. Катализатор снижает энергетические потери. Одновременно на другом электроде накапливается энергия.
После завершения цикла эту энергию можно вернуть. Система работает по принципу небольшой батареи с участием цинка и никеля. В итоге лишь треть энергии идет непосредственно на извлечение лития, а остальная часть сохраняется в виде водорода и в самом электроде. На каждый грамм лития приходятся около 807 мл водорода, а чистое энергопотребление составляет около 6,40 Вт·ч на грамм.
Эксперименты показали высокую эффективность подхода. За 48 часов концентрация лития в растворе выросла с 0,183 мг/л до 306,2 мг/л, а соотношение магния к литию снизилось в 13-14 миллионов раз. Это происходило за счет повышения щелочности среды. Магний и кальций превращались в нерастворимые соединения и выпадали в осадок без добавления реагентов. Из полученного раствора удалось получить карбонат лития чистотой 99,6%, что соответствует требованиям аккумуляторной промышленности.
Высокая эффективность объясняется сочетанием нескольких факторов. Мембрана хорошо пропускает литий, катализатор снижает затраты энергии на выделение водорода, а сам процесс по мере работы становится более эффективным. Растет щелочность, быстрее удаляются мешающие ионы, а раствор очищается.
Важным преимуществом стала и технологическая гибкость. Установка состоит из отдельных блоков, которые можно объединять и увеличивать производительность. Кроме того, существует более дешевый аналог дорогой мембраны. В экспериментах с литий-алюминий-титан-силиций-фосфатом были получены сопоставимые результаты. Концентрация лития достигала 301,8 мг/л при аналогичном снижении содержания магния.
Технология пока находится на лабораторной стадии. Производительность установки остается относительно небольшой и составляет около 0,97 г лития на квадратный метр мембраны в час, поэтому для промышленного применения ее еще предстоит масштабировать. Но данный проект уже продемонстрировал, что литий из морской воды можно извлекать с умеренными затратами энергии, одновременно получая водород и другие полезные продукты.
