革命的メンブレン技術で水からリチウムを抽出

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

膜輸送挙動研究用H型セル — 片側に塩水混合物（青液体）、もう片側に膜分離後の結果（透明液体）。左から：Seth DarlingとYining Liu。（画像：Argonne National Laboratory）

周期表で最軽量の金属リチウムは、現代生活で極めて重要な役割を果たします。その低重量と高エネルギー密度により、電気自動車、携帯電話、ノートPC、軍事技術など、1オンスが重要な用途に最適です。リチウム需要が急増する中、供給と信頼性への懸念が高まっています。

急増する需要とサプライチェーン問題の可能性に対応するため、米国エネルギー省（DOE）Argonne National Laboratoryの科学者たちが、水から効率的にリチウムを抽出する革新的なメンブレン技術を開発しました。複数のチームメンバーがUniversity of ChicagoのPritzker School of Molecular Engineering (PME)との共同任命を持っています。

「我々が開発した新しいメンブレンは、国内でのリチウム抽出のための潜在的な低コストかつ豊富な代替案を提供します」と、Argonne Advanced Energy Technologies部門のChief Science and Technology Officer、Seth Darling氏。同氏はArgonneのAdvanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) Energy Frontier Research Centerディレクター、PMEシニアサイエンティストも務めます。

現在、世界のリチウムの大半はごく少数の国での硬岩採掘と塩湖から産出しており、サプライチェーンは混乱に脆弱です。しかし、地球上のリチウムの大半は実際には海水と地下塩水に溶解しています。問題は、これらの非従来型ソースからの抽出が法外に高コスト、エネルギー集約的、非効率だったこと。従来法は、リチウムをナトリウムやマグネシウムのようなより豊富な元素から分離するのに苦労します。

塩水中では、リチウムと他の元素は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、正の電荷を帯びた原子です。効率的なリチウム抽出の鍵は、イオンのサイズと電荷の度合いの両方に基づいて他の陽イオンをろ過することにあります。

バーミキュライトメンブレンの原子構造：アルミナ柱で支えられた2D層。黄色い球はドープされたナトリウムイオン。（画像：Argonne National Laboratory）

新しいメンブレンは有望な低コストソリューションを提供します。天然に豊富な粘土であるバーミキュライトから作られ、コストはトン当たり約350ドルのみ。チームは粘土を超薄層（わずか10億分の1メートル厚）に剥離し、それらを再積層して一種のフィルターを形成するプロセスを開発。これらの層は非常に薄いため2Dと見なされます。

しかし問題がありました：未処理では、粘土層は水への強い親和性により30分以内に崩壊します。

この問題を解決するため、研究者たちは層の間に微小酸化アルミニウム柱を挿入し、構造に「建設中の高層駐車場」のような外観を与えました — 多くの固体柱が各「階」を固定しています。このアーキテクチャは崩壊を防ぎながら、メンブレンの負の表面電荷を中和し、後続修正の重要なステップとなります。

次に、ナトリウム陽イオンをメンブレンに導入し、酸化アルミニウム柱の周りに沈着させました。これによりメンブレンの表面電荷が中性から正に変化。水中ではマグネシウムとリチウムイオン両方が正電荷を持ちますが、マグネシウムイオンはより高い電荷（+2）をリチウムの（+1）と比較して持ちます。メンブレンの正に帯電した表面は、より高電荷のマグネシウムイオンをリチウムイオンより強く反発します。この違いにより、メンブレンはリチウムイオンをより容易に捕捉し、マグネシウムイオンを排除できます。

性能をさらに洗練するため、チームはさらにナトリウムイオンを追加。これによりメンブレンの細孔サイズが減少しました。結果、ナトリウムやカリウムのようなより小さなイオンを通過させながら、より大きなリチウムイオンを捕捉します。

「イオンサイズと電荷の両方でろ過することで、我々のメンブレンは水からリチウムをはるかに高効率で引き出せます」と、筆頭著者Yining Liu氏（UChicago博士課程、AMEWSチームメンバー）。「このようなメンブレンは、外国サプライヤーへの依存を減らし、これまで考慮されてこなかった新たなリチウム埋蔵地への扉を開く可能性があります。」

研究者たちはこのブレークスルーが、ニッケル、コバルト、希土類元素など他の重要材料の回収から、飲料水からの有害汚染物質除去まで、より広範な応用を持つと信じています。

「この粘土材料には多くのタイプがあります」とLiu氏。「海水や塩湖湖水から重要元素を回収するのにどう役立つか、さらには飲料水浄化にどう役立つかを探っています。」

詳細については、Seth Darlingまでお問い合わせください。