革新的な膜技術で水からリチウムを抽出

アルゴンヌ国立研究所（イリノイ州レモント）およびシカゴ大学（イリノイ州）

膜輸送挙動を研究するための H 型セル。半分には塩水混合物 (青色の液体) が含まれており、もう一方には膜分離後の結果 (透明な液体) が表示されます。左から右へ:セス・ダーリンとイーニン・リウ。 (画像:アルゴンヌ国立研究所)

周期表上で最も軽い金属であるリチウムは、現代の生活において極めて重要な役割を果たしています。軽量でエネルギー密度が高いため、電気自動車、携帯電話、ラップトップ、あらゆるオンスが重要な軍事技術に最適です。リチウムの需要が急増するにつれ、供給と信頼性に対する懸念が高まっています。

需要の急増と起こり得るサプライチェーンの問題に対応するために、米国エネルギー省 (DOE) のアルゴンヌ国立研究所の科学者たちは、水からリチウムを効率的に抽出する革新的な膜技術を開発しました。チーム メンバーの何人かは、シカゴ大学のプリツカー分子工学大学院 (PME) との共同任命も行っています。

「私たちが開発した新しい膜は、国内でリチウムを抽出するための低コストで豊富な代替品となる可能性を提供します」とアルゴンヌの先進エネルギー技術部門の最高科学技術責任者であるセス・ダーリング氏は述べています。彼は、アルゴンヌにあるエネルギー・水システム向け先端材料 (AMEWS) エネルギー フロンティア研究センターの所長であり、PME 上級科学者でもあります。

現在、世界のリチウムの大部分は、わずか数か国の硬岩採掘と塩湖から来ており、サプライチェーンは混乱に対して脆弱なままとなっています。しかし、地球上のリチウムの大部分は、実際には海水と地下の塩水埋蔵量に溶解しています。問題？これらの非従来型の資源からそれを抽出することは、法外に高価で、エネルギーを大量に消費し、非効率的でした。従来の方法では、ナトリウムやマグネシウムなど、より豊富な他の元素からリチウムを分離するのが困難でした。

塩水中では、リチウムなどの元素が陽イオンとして存在します。これらは 1 つ以上の電子を失い、正の電荷を与えた原子です。リチウムを効率的に抽出する鍵は、サイズと電荷度の両方に基づいて他のカチオンを除去することにあります。

酸化アルミニウムの柱によって支持された 2D 層を示すバーミキュライト膜の原子構造。黄色のボールはドープされたナトリウムイオンです。 (画像:アルゴンヌ国立研究所)

新しい膜は、有望な低コストのソリューションを提供します。これは、1 トンあたりわずか約 350 ドルの天然に豊富な粘土であるバーミキュライトから作られています。研究チームは、粘土を剥がして厚さわずか10億分の1メートルの極薄層にし、それを再び積み重ねて一種のフィルターを形成するプロセスを開発した。これらのレイヤーは非常に薄いため、2D とみなされます。

しかし、問題がありました。未処理の粘土層は、水との強い親和性により、30 分以内に水中で崩壊します。

この問題を解決するために、研究者らは層の間に微細な酸化アルミニウムの柱を挿入し、その構造に建設中の高層駐車場のような外観を与え、多くの頑丈な柱が各「床」を所定の位置に保持しているようにしました。このアーキテクチャは、膜の負の表面電荷を中和しながら崩壊を防ぎます。これは、その後の修正にとって重要なステップです。

次に、ナトリウム陽イオンが膜に導入され、酸化アルミニウムの柱の周りに定着しました。これにより、膜の表面電荷が中性から正に変化しました。水中では、マグネシウムイオンとリチウムイオンはどちらも正電荷を帯びますが、マグネシウムイオンはリチウムイオン (+1) に比べてより高い電荷 (+2) を運びます。膜の正に帯電した表面は、リチウム イオンよりも強く帯電したマグネシウム イオンを反発します。この違いにより、膜はマグネシウム イオンの侵入を防ぎながら、リチウム イオンをより容易に捕捉できるようになります。

性能をさらに向上させるために、チームはさらに多くのナトリウムイオンを追加しました。これにより、膜の孔径が減少しました。その結果、膜はナトリウムやカリウムなどの小さなイオンを通過させ、大きなリチウム イオンを捕捉します。

「イオンのサイズと電荷の両方によってフィルタリングする私たちの膜は、はるかに高い効率で水からリチウムを取り出すことができます」と筆頭著者のイーニン・リュー博士は述べた。シカゴ大学の候補者であり、AMEWS チームのメンバー。 「このような膜があれば、海外サプライヤーへの依存が軽減され、これまで考えもしなかった場所に新たなリチウム埋蔵量への扉が開かれる可能性があります。」

研究者らは、この画期的な技術は、ニッケル、コバルト、希土類元素などの主要な材料の回収から、水道からの有害な汚染物質の除去まで、より幅広い用途に応用できると考えています。

「この粘土素材には多くの種類があります」とリュー氏は言う。 「私たちは、これが海水や塩湖の塩水から重要な要素を収集するのにどのように役立つか、さらには飲料水の浄化にどのように役立つかを研究しています。」

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