Theo các phương tiện truyền thông nước ngoài, các nhà nghiên cứu tại Đại học Stanford đã phát triển một công nghệ mới có thể chiết xuất lithium từ nước muối với chi phí ước tính thấp hơn 40% so với các phương pháp chiết xuất hiện tại, chỉ bằng một phần tư giá thị trường của lithium hiện nay. Bài viết đăng trên tạp chí “Matter” cho thấy công nghệ mới này cũng sẽ đáng tin cậy và bền vững hơn về mặt nước, hóa chất và sử dụng đất so với công nghệ hiện tại.
(Nguồn ảnh: sciencedirect.com)
Truyền thống, lithium được chiết xuất từ đá khai thác, phương pháp này có chi phí cao hơn và tiêu tốn năng lượng hơn so với chiết xuất từ nước muối, đồng thời cần sử dụng hóa chất độc hại. Do đó, hiện nay phương pháp chính để chiết xuất lithium đã chuyển sang thu bay nước muối từ hồ muối, nhưng phương pháp này vẫn phải chịu chi phí tài chính và môi trường cao. Hơn nữa, phương pháp này phụ thuộc vào các điều kiện khí hậu cụ thể, hạn chế số lượng hồ muối có giá trị thương mại và ảnh hưởng đến ngành công nghiệp lithium trong việc đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng.
Nghiên cứu mới báo cáo kết quả của phương pháp “điện phân đôi oxy hóa khử (RCE)” và ước tính chi phí. Yi Cui, tác giả chính của nghiên cứu và giáo sư khoa học và kỹ thuật vật liệu tại Trường Kỹ thuật cho biết: “Phương pháp này có những lợi thế về hiệu suất và chi phí. Điều này làm cho nó trở thành một phương án thay thế đầy hứa hẹn cho công nghệ hiện tại và có thể thay đổi chuỗi cung ứng lithium.”
Phương pháp mới của nhóm nghiên cứu sử dụng điện năng để chuyển lithium qua màng điện phân rắn từ nước có nồng độ lithium thấp sang dung dịch cao hơn với độ tinh khiết cao. Mỗi ô điện trong chuỗi đều có thể tăng nồng độ lithium, giúp dung dịch cuối cùng dễ dàng phân tách hóa học. Phương pháp này tiêu tốn điện năng chỉ chưa đến 10% nhu cầu điện năng cần thiết cho công nghệ chiết xuất nước muối hiện tại, với tính chọn lọc lithium gần như đạt 100%, do đó rất hiệu quả.
Rong Xu, đồng tác giả nghiên cứu, cựu nghiên cứu sinh sau tiến sĩ tại phòng thí nghiệm Cui và hiện là giảng viên tại Đại học Giao thông Vận tải Tây An ở Trung Quốc, cho biết: “Phương pháp này có nhiều ưu điểm hơn so với công nghệ chiết xuất lithium truyền thống, tăng khả năng sản xuất lithium thân thiện với môi trường và chi phí thấp. Cuối cùng, chúng tôi hy vọng phương pháp này có thể thúc đẩy khả năng giao thông điện hóa và lưu trữ năng lượng tái tạo.”
Lợi ích về chi phí và môi trường
Nghiên cứu bao gồm một phân tích kinh tế kỹ thuật ngắn để so sánh chi phí chiết xuất lithium hiện tại với phương pháp RCE. Dự kiến, chi phí của phương pháp mới tương đối thấp, chủ yếu là do nó loại bỏ nhu cầu về các hồ bay hơi mặt trời lớn, từ đó giảm chi phí xây dựng và bảo trì. Năng lượng, nước và hóa chất sử dụng trong phương pháp mới đã giảm đáng kể, bên cạnh lợi thế của phát triển bền vững, điều này càng hạ thấp chi phí. Đặc biệt, phương pháp RCE còn giảm lượng đất sử dụng và tiêu hao nước, từ đó giảm thiểu dấu chân sinh thái của sản xuất lithium.
Phương pháp RCE áp dụng cho nhiều loại nước muối khác nhau, bao gồm nước muối có nồng độ lithium, natri và kali khác nhau. Các thí nghiệm nghiên cứu cho thấy công nghệ mới có thể chiết xuất lithium từ nước thải sản xuất dầu mỏ. Nó có tiềm năng được sử dụng để chiết xuất lithium từ nước biển (nồng độ lithium trong nước biển thấp hơn nước muối). Hiện tại, việc chiết xuất lithium từ nước biển bằng phương pháp truyền thống là không khả thi về mặt thương mại.
Nghiên cứu sinh sau tiến sĩ Ge Zhang tại Đại học Stanford cho biết: “Từ trước đến nay, công nghệ cạnh tranh chính đều có những nhược điểm rõ ràng, chẳng hạn như không thể vận hành liên tục, chi phí năng lượng cao hoặc hiệu suất tương đối thấp. Phương pháp này dường như không có những nhược điểm này, nó có thể hoạt động liên tục và sẽ giúp cung cấp một nguồn cung lithium đáng tin cậy hơn.”
Triển vọng tương lai
Khả năng mở rộng của phương pháp RCE cũng rất đáng khích lệ. Trong thí nghiệm với quy mô thiết bị tăng gấp bốn lần, phương pháp RCE vẫn thể hiện tốt, với hiệu suất năng lượng và tính chọn lọc lithium duy trì ở mức cao. Cui cho biết: “Điều này cho thấy phương pháp có thể được áp dụng ở quy mô công nghiệp, từ đó trở thành một giải pháp khả thi cho công nghệ chiết xuất hiện tại.”
Tuy nhiên, nghiên cứu đã nhấn mạnh một số lĩnh vực cần được nghiên cứu thêm. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành hai phiên bản thí nghiệm cho phương pháp này. Một phương pháp chiết xuất lithium nhanh hơn nhưng tiêu tốn nhiều điện năng hơn. Phương pháp khác chậm hơn, tiêu tốn ít điện năng hơn. So với phương pháp chiết xuất nhanh, phương pháp chậm hơn có chi phí thấp hơn, màng ổn định hơn và có thể chiết xuất lithium liên tục trong thời gian dài. Trong khi đó, với mật độ dòng điện cao và dòng nước nhanh hơn, màng có thể bị phân huỷ, dẫn đến hiệu suất giảm dần. Tuy nhiên, điều này không rõ ràng trong các thử nghiệm chiết xuất chậm, nhưng các nhà nghiên cứu hy vọng cải thiện thiết kế thiết bị để đạt được tốc độ chiết xuất nhanh hơn. Họ đã bắt đầu thử nghiệm các vật liệu màng tiềm năng khác.
Hơn nữa, các nhà nghiên cứu trong nghiên cứu này chưa chứng minh khả năng chiết xuất lithium từ nước biển. Zhang cho biết: “Về nguyên tắc, phương pháp này cũng có thể áp dụng cho nước biển, nhưng màng này có thể gặp vấn đề về tính ổn định trong nước biển.”
Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu vẫn rất lạc quan. Xu cho biết: “Khi nghiên cứu tiến xa hơn, chúng tôi tin rằng phương pháp này sẽ sớm chuyển từ phòng thí nghiệm sang ứng dụng công nghiệp quy mô lớn.”