Phát triển công nghệ cao giúp 'vàng trắng chảy ra từ nước biển' khiến thế giới chấn động
Lithium đang ẩn mình trong nước biển và một loại màng lọc đất sét 2D mới có thể là chìa khóa để khai thác nguồn tài nguyên này một cách rẻ tiền và hiệu quả hơn bao giờ hết.
Trong một bước đột phá quan trọng, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Quốc gia Argonne (thuộc Bộ Năng lượng Mỹ - DOE) và Đại học Chicago đã phát triển một công nghệ màng lọc tiên tiến, cho phép chiết xuất lithium trực tiếp từ nước muối.
Được chế tạo từ vermiculite – một loại đất sét tự nhiên phong phú, có giá chỉ khoảng 350 USD mỗi tấn – loại màng mới có khả năng lọc ion lithium với hiệu suất đáng kinh ngạc, mở ra tiềm năng thay thế hoàn toàn phương pháp khai thác truyền thống bằng một giải pháp nội địa, thân thiện với môi trường và dễ mở rộng quy mô.
Hiện nay, phần lớn nguồn cung lithium toàn cầu đến từ một số ít quốc gia, thông qua các hình thức khai thác quặng đá cứng hoặc bốc hơi nước muối tại các hồ muối. Cả hai phương pháp này đều tốn kém, mất thời gian và dễ bị ảnh hưởng bởi các gián đoạn trong chuỗi cung ứng toàn cầu.
Trong khi đó, một lượng lithium khổng lồ hiện đang tồn tại dưới dạng hòa tan trong nước biển và các tầng nước ngầm mặn. Tuy nhiên, việc khai thác lithium từ các nguồn này từ trước đến nay luôn bị xem là không khả thi do hiệu suất thấp và chi phí cao.
Để vượt qua thách thức này, nhóm nghiên cứu tại Argonne và Đại học Chicago đã phát triển một phương pháp bóc tách vermiculite thành các lớp siêu mỏng – chỉ dày khoảng một phần tỷ mét – sau đó xếp chồng lại thành một lớp màng dày đặc. Những tấm đất sét này mỏng đến mức được xếp vào nhóm vật liệu hai chiều (2D).
Tuy nhiên, các lớp đất sét chưa xử lý có xu hướng tan rã trong nước chỉ sau chưa đầy 30 phút, do tính chất hút nước mạnh. Để giải quyết vấn đề này, các nhà khoa học đã gia cố màng bằng cách thêm vào các trụ siêu nhỏ bằng oxit nhôm, tạo nên một kết cấu ổn định giống như một gara nhiều tầng ở cấp độ phân tử.
Cấu trúc này không chỉ giúp màng không bị tan rã trong môi trường nước mà còn cho phép lọc ion dựa trên cả kích thước và điện tích – yếu tố then chốt để tách lithium khỏi các nguyên tố tương tự như natri và magie, vốn cũng có mặt trong nước biển.
Tiếp theo, nhóm nghiên cứu đưa thêm các ion natri vào trong màng lọc, cho phép chúng phân bố quanh các trụ oxit nhôm và thay đổi điện tích bề mặt của màng từ trung hòa sang dương.
Trong dung dịch nước muối, cả ion lithium và magie đều mang điện tích dương. Tuy nhiên, magie có điện tích +2, trong khi lithium chỉ mang +1. Màng lọc mang điện tích dương sẽ đẩy mạnh hơn các ion có điện tích cao hơn, từ đó đẩy lùi magie và cho phép lithium đi qua dễ dàng hơn.
Để tăng thêm độ chọn lọc, nhóm nghiên cứu tiếp tục bổ sung thêm ion natri nhằm siết chặt cấu trúc lỗ lọc. Nhờ đó, các ion nhỏ hơn như natri và kali có thể đi qua, trong khi lithium được giữ lại với độ chính xác cao hơn.
Kết quả là một quy trình lọc có chi phí thấp, dễ sản xuất ở quy mô lớn, và có thể khai thác trữ lượng lithium khổng lồ hiện đang bị bỏ ngỏ trong đại dương, nước ngầm mặn, thậm chí cả trong nước thải công nghiệp.
“Bằng cách lọc theo cả kích thước và điện tích ion, màng lọc của chúng tôi có thể tách lithium khỏi nước với hiệu quả cao hơn rất nhiều. Công nghệ này có thể giúp chúng ta giảm phụ thuộc vào nguồn cung lithium từ nước ngoài, đồng thời khai mở những mỏ tài nguyên mà trước đây chưa từng được chú ý tới”, Yining Liu – nghiên cứu sinh tại Đại học Chicago, đồng thời là tác giả chính của nghiên cứu và thành viên nhóm AMEWS – cho biết.
Theo các nhà nghiên cứu, ứng dụng tiềm năng của loại màng này không chỉ dừng lại ở lithium. Nó còn có thể hỗ trợ thu hồi nhiều nguyên tố và khoáng sản chiến lược khác như nickel, cobalt, đất hiếm, đồng thời góp phần xử lý các chất ô nhiễm nguy hiểm trong nước sinh hoạt.
"Có rất nhiều loại đất sét tương tự vermiculite. Chúng tôi đang nghiên cứu cách tận dụng các vật liệu này để thu hồi các nguyên tố có giá trị từ nước biển, hồ muối, hoặc thậm chí hỗ trợ làm sạch nguồn nước uống”, Liu nói thêm.
Tham khảo IE
