Investigadores estadounidenses han demostrado una tecnología que convierte los residuos de PFAS capturados por carbón activado granular en un recurso para la recuperación de litio, lo que ofrece posibles beneficios ambientales y de eficiencia.
Los científicos han desarrollado un nuevo enfoque para la extracción de litio que recicla contaminantes químicos problemáticos conocidos como PFAS para recuperar litio de salmueras altamente salinas.
La tecnología, publicada en la revista Nature Water, podría proporcionar una ruta alternativa para producir litio utilizado en baterías y, al mismo tiempo, abordar los problemas persistentes de residuos.
El estudio fue realizado por un equipo de la Universidad Rice dirigido por el investigador postdoctoral Yi Chen, bajo la dirección de James Tour.
En lugar de centrarse únicamente en eliminar las PFAS (abreviatura de sustancias perfluoroalquiladas y polifluoroalquiladas) del medio ambiente, los científicos investigaron si estos compuestos ricos en flúor podrían usarse de manera productiva en procesos industriales.
Sus hallazgos sugieren que las PFAS recuperadas durante la limpieza ambiental tienen el potencial de facilitar la recuperación de litio de los recursos de agua salina y reducir tanto los desechos como la huella ambiental asociada con la cadena de suministro de litio.
Desafíos de recuperar litio del agua salada
Con la expansión de los vehículos eléctricos y la tecnología de almacenamiento de energía, la demanda de litio está aumentando rápidamente.
Aunque el litio se puede extraer de depósitos de roca dura, muchos productores dependen de recursos salinos o de aguas subterráneas con altas concentraciones de sal que contienen litio disuelto y otras sales.
En comparación con la minería convencional, la extracción de litio a base de salmuera se considera menos destructiva para la superficie. Sin embargo, todavía existen obstáculos técnicos en este proceso.
La extracción selectiva de litio de mezclas que contienen muchos minerales disueltos puede resultar difícil, y los enfoques actuales a menudo requieren el uso de grandes cantidades de agua, largos tiempos de procesamiento y grandes insumos de energía.
Los investigadores han buscado formas de mejorar la eficiencia y la sostenibilidad de la recuperación de litio de estas aguas salobres.
Utiliza PFAS recolectados con carbón activado granular
El método de Rice Team comienza con PFAS, que ya se ha eliminado de contaminantes como la espuma contra incendios. Estos compuestos suelen capturarse utilizando carbón activado granular, un material de filtración que absorbe y atrapa las moléculas de PFAS.
El carbón activado granular es eficaz para eliminar los PFAS del agua y otras muestras, pero el material en sí se contamina. Una vez que los PFAS se saturan, normalmente se tratan como desechos peligrosos.
En el nuevo estudio, los investigadores vieron este carbono gastado como un recurso químico potencial en lugar de un problema de eliminación.
Las moléculas de PFAS contienen fuertes enlaces carbono-flúor. El flúor, un anión, puede formar sales estables con ciertos iones metálicos cargados positivamente.
Los científicos plantearon la hipótesis de que el flúor liberado por las PFAS podría combinarse con los iones de litio presentes en el agua salada para formar fluoruro de litio, un compuesto útil en la tecnología de baterías.
La calefacción eléctrica acelera las reacciones químicas.
Para probar esta idea, los investigadores mezclaron carbón activado granular cargado con PFAS con agua salada que contenía litio y otros metales disueltos como magnesio y calcio.
Luego aplicaron calentamiento electrotérmico, una técnica que utiliza corriente eléctrica para aumentar rápidamente la temperatura. La mezcla se calentó brevemente por encima de 1.000 °C y luego se enfrió rápidamente.
Estas condiciones extremas pero de corta duración liberan los átomos de flúor dentro de las moléculas de PFAS de sus enlaces originales. Cuando se libera flúor, reacciona con los iones metálicos de la salmuera para formar sales de fluoruro.
La mezcla resultante contenía fluoruro de litio junto con fluoruro de magnesio y fluoruro de calcio. El proceso de calentamiento también convirtió el material de carbono en un residuo no tóxico después de que se eliminó el flúor.
La recuperación selectiva de litio es posible mediante destilación.
Se requirieron pasos adicionales para separar el fluoruro de litio de otras sales de fluoruro. Los investigadores se basaron en las diferencias en los puntos de ebullición entre los compuestos.
El fluoruro de litio se evapora a aproximadamente 1676 °C, que es significativamente más bajo que los puntos de ebullición del fluoruro de magnesio y calcio.
Al recalentar la mezcla en condiciones de calentamiento eléctrico cuidadosamente controladas, los científicos vaporizaron el fluoruro de litio dejando atrás las otras sales.
Luego, el vapor se condensó y recogió, produciendo fluoruro de litio con aproximadamente un 99 % de pureza. Según el estudio, este proceso recuperó aproximadamente el 82% del fluoruro de litio presente en la salmuera.
Prueba de aplicaciones de batería
Para evaluar si el material recuperado podría usarse en tecnología de almacenamiento de energía, el equipo de investigación incorporó fluoruro de litio purificado en el electrolito de una batería de iones de litio.
Las pruebas de laboratorio mostraron que el electrolito que contenía los compuestos recuperados se mantuvo estable y respaldó el rendimiento de la batería.
Estos resultados sugieren que el litio obtenido mediante este método tiene el potencial de cumplir con los requisitos de calidad para aplicaciones relacionadas con baterías.
Consideración por el medio ambiente y la eficiencia
Los investigadores también compararon su proceso con técnicas establecidas de extracción de litio a base de salmuera. Su análisis mostró que los métodos basados en PFAS pueden requerir menos agua y energía que los enfoques comerciales comunes.
Los procesos electrotérmicos funcionan rápidamente, por lo que los pasos de reacción y separación se completan en minutos en lugar de horas o días.
El estudio también estimó una contribución menor a las emisiones de gases de efecto invernadero en comparación con los métodos tradicionales de extracción de salmuera.
Además, este enfoque también aborda el creciente problema de los desechos asociados con los medios filtrantes contaminados con PFAS.
Vincular la gestión de residuos y el suministro de minerales críticos
La contaminación por PFAS es un problema ambiental global y estos químicos persistentes se han detectado en el agua, el suelo y los flujos de desechos industriales.
Encontrar usos productivos para las PFAS capturadas podría ayudar a compensar los costos y desafíos asociados con la limpieza.
Los investigadores proponen un proceso que combina dos desafíos ambientales: gestionar los contaminantes nocivos y proporcionar minerales críticos para las baterías mediante la conversión de PFAS atrapados en carbón activado granular en una fuente de flúor para la recuperación de litio.
Aunque se necesita más trabajo antes de una implementación a gran escala, este estudio revela cómo los residuos se pueden integrar en las tecnologías de recuperación de recursos y tiene el potencial de remodelar la forma en que la industria aborda tanto la remediación ambiental como la producción de litio.
Source link
