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Um componente vital das baterias no centro dos veículos elétricos e do armazenamento de energia da rede, o lítio é fundamental para um futuro energético limpo. Mas a produção do metal branco prateado acarreta custos ambientais significativos. Entre eles está a grande quantidade de terra e o tempo necessário para extrair lítio de água salgada, com grandes operações que se estendem por dezenas de quilómetros quadrados e muitas vezes requerem mais de um ano para iniciar a produção.
Agora, pesquisadores de Princeton desenvolveram uma técnica de extração que reduz a quantidade de terra e o tempo necessários para a produção de lítio. Os pesquisadores dizem que seu sistema pode melhorar a produção nas instalações de lítio existentes e desbloquear fontes anteriormente consideradas pequenas ou diluídas demais para valer a pena.
O núcleo da técnica, descrita em 7 de setembro em Água Natural, é um conjunto de fibras porosas torcidas em cordas, que os pesquisadores projetaram para ter um núcleo que ama a água e uma superfície que repele a água. Quando as pontas são mergulhadas em uma solução de água salgada, a água sobe pelos fios por ação capilar – o mesmo processo que as árvores usam para tirar água das raízes às folhas. A água evapora rapidamente da superfície de cada corda, deixando para trás íons de sal, como sódio e lítio. À medida que a água continua a evaporar, os sais tornam-se cada vez mais concentrados e eventualmente formam cristais de cloreto de sódio e cloreto de lítio nas cordas, permitindo uma fácil colheita.
Além de concentrar os sais, a técnica faz com que o lítio e o sódio cristalizem em locais distintos ao longo da corda devido às suas diferentes propriedades físicas. O sódio, de baixa solubilidade, cristaliza na parte inferior do fio, enquanto os sais de lítio altamente solúveis cristalizam próximo ao topo. A separação natural permitiu à equipe coletar lítio e sódio individualmente, um feito que normalmente requer o uso de produtos químicos adicionais.
“Nosso objetivo era aproveitar os processos fundamentais de evaporação e ação capilar para concentrar, separar e colher lítio”, disse Z. Jason Ren, professor de engenharia civil e ambiental e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente de Princeton e líder do a equipe de pesquisa. “Não precisamos aplicar produtos químicos adicionais, como é o caso de muitas outras tecnologias de extração, e o processo economiza muita água em comparação com as abordagens tradicionais de evaporação”.
O fornecimento limitado de lítio é um obstáculo à transição para uma sociedade de baixo carbono, acrescentou Ren. “Nossa abordagem é barata, fácil de operar e requer muito pouca energia. É uma solução ecologicamente correta para um desafio energético crítico.”
Uma lagoa de evaporação em uma corda
A extração convencional de salmoura envolve a construção de uma série de enormes lagoas de evaporação para concentrar o lítio de salinas, lagos salgados ou aquíferos subterrâneos. O processo pode levar de vários meses a alguns anos. As operações só são comercialmente viáveis em alguns locais ao redor do mundo que tenham concentrações iniciais de lítio suficientemente altas, abundância de terras disponíveis e um clima árido para maximizar a evaporação. Por exemplo, existe apenas uma operação ativa de extração de lítio à base de salmoura nos Estados Unidos, localizada em Nevada e cobrindo mais de 11 quilômetros quadrados.
A técnica das cordas é muito mais compacta e pode começar a produzir lítio muito mais rapidamente. Embora os pesquisadores acautelem que será necessário trabalho adicional para escalar sua tecnologia do laboratório para a escala industrial, eles estimam que isso poderá reduzir a quantidade de terra necessária para mais de 90% das operações atuais e poderá acelerar o processo de evaporação em mais de 20%. vezes em comparação com lagoas de evaporação tradicionais, potencialmente produzindo colheitas iniciais de lítio em menos de um mês.
Operações compactas, de baixo custo e rápidas poderiam expandir o acesso para incluir novas fontes de lítio, tais como poços de petróleo e gás abandonados e salmouras geotérmicas, que são actualmente demasiado pequenas ou demasiado diluídas para a extracção de lítio. Os pesquisadores disseram que a taxa de evaporação acelerada também poderia permitir a operação em climas mais úmidos. Eles estão até investigando se a tecnologia permitiria a extração de lítio da água do mar.
“Nosso processo é como colocar uma lagoa de evaporação em um fio, permitindo-nos obter colheitas de lítio com uma pegada espacial significativamente reduzida e com controle mais preciso do processo”, disse Sunxiang (Sean) Zheng, coautor do estudo e ex-Andlinger Center. Distinto Pós-Doutorado. “Se escalarmos, poderemos abrir novas perspectivas para a extração de lítio ecologicamente correta.”
Uma vez que os materiais para produzir as cordas são baratos e a tecnologia não requer tratamentos químicos para funcionar, os investigadores disseram que com melhorias adicionais, a sua abordagem seria uma forte candidata para adopção generalizada. No artigo, os pesquisadores demonstraram a escalabilidade potencial de sua abordagem construindo um conjunto de 100 cordas de extração de lítio.
A equipe de Ren já está desenvolvendo uma segunda geração da técnica que permitirá maior eficiência, maior rendimento e mais controle sobre o processo de cristalização. Ele credita a Princeton Catalysis Initiative por fornecer apoio inicial crítico para permitir colaborações criativas em pesquisa. Além disso, sua equipe recebeu recentemente o prêmio NSF Partnerships for Innovation e um prêmio do Fundo Acelerador de Propriedade Intelectual (PI) de Princeton para apoiar o processo de pesquisa e desenvolvimento, incluindo maneiras de modificar a abordagem para extrair outros minerais críticos além do lítio. Juntamente com Kelsey Hatzell, professor assistente de engenharia mecânica e aeroespacial e do Centro Andlinger de Energia e Meio Ambiente, Ren também recebeu financiamento inicial do Centro de Materiais Complexos de Princeton para compreender melhor o processo de cristalização.
Zheng está liderando o lançamento de uma startup, PureLi Inc., para iniciar o processo de refinamento da tecnologia e, eventualmente, levá-la ao mercado mais amplo. Zheng foi selecionado como um dos quatro pesquisadores do grupo inaugural de START Entrepreneurs em Princeton, uma bolsa acadêmica e aceleradora de startups projetada para promover o empreendedorismo inclusivo.
“Como pesquisador, você sabe em primeira mão que muitas novas tecnologias são muito caras ou difíceis de escalar”, disse Zheng. “Mas estamos muito entusiasmados com este, e com algumas melhorias adicionais de eficiência, pensamos que tem um potencial incrível para causar um impacto real no mundo”.
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