В химии есть проблемы, которые принято считать нерешаемыми. Например, утилизация ПФАС — так называемых вечных химикатов. Но исследователи нашли способ не просто уничтожать эти опасные отходы, а добывать с их помощью литий.
Перфторалкильные и полифторалкильные вещества (ПФАС) давно стали экологической головной болью. Они десятилетиями копятся в почве, отравляют питьевую воду и почти не разлагаются в природе.
Команда Университета Райса во главе с химиком Джеймсом Туром и исследователем И Чэном придумала, как превратить этот токсичный мусор в ценный ресурс для высоких технологий.
В новом проекте отработанные химикаты используют, чтобы извлекать литий из высокоминерализованных рассолов. Получился идеальный пример безотходной экономики: побочный продукт одного производства закрывает дефицит сырья в другом.
«Добывать литий из рассола безопаснее для природы, чем использовать традиционные шахты. Но остаются проблемы: плохая избирательность процесса, астрономические затраты и огромный расход воды. Мы поняли, что фтор из ПФАС делает извлечение лития быстрее и чище», — объясняет ведущий автор исследования И Чэн.
Читайте: Замена литию – Японцы разработали гибкий магний-воздушный аккумулятор
Технология извлечения лития
Всё начинается с обычного отработанного активированного угля. Именно им фильтруют воду и противопожарную пену от ПФАС.
Обычно после такой очистки грязный уголь просто отправляют на полигоны как опасные отходы. Учёные из Университета Райса посмотрели на ситуацию под другим углом и увидели в отходах богатый источник фтора.
Во время экспериментов насыщенный химикатами уголь смешали с минерализованным рассолом. Возникла уникальная реакционная среда: запертые в угле анионы фтора вырвались наружу и сразу связались с катионами лития.
Сложный в утилизации побочный продукт очистки воды внезапно стал ключевым сырьём для производства современных батарей.
«Рассол даёт нам ценный катион — литий. Отработанный уголь — фтор, намертво запертый внутри молекул ПФАС. Наша цель заключалась в том, чтобы разорвать эти связи, высвободить фтор и соединить его с литием. На выходе получается чистая соль — фторид лития», — уточняет Чэн.
Чтобы выбить фтор из углеродного плена, исследователи применили импульсный джоулев нагрев. Короткий высокоэнергетический разряд за долю миллисекунды разогрел смесь до температуры свыше 1000 °C.
Экстремальный жар мгновенно разрушает прочные углерод-фторные связи. Атомы фтора выходят на свободу и тут же находят нового партнёра — литий из рассола.
Двойная польза для экологии
Но превратить литий в соль — лишь половина задачи. Рассол представляет собой сложный химический «бульон» из кальция, магния и калия.
Чтобы вытащить оттуда чистый целевой металл, команда провела повторный нагрев. Точечный удар температурой в диапазоне от 1676 до 2260 °C позволил испарить только фторид лития. Все тяжёлые примеси вроде фторидов магния и кальция остались лежать на дне в твёрдом виде.
Благодаря такой импульсной дистилляции учёные за пару секунд получили летучий поток лития с рекордной чистотой в 99%. Коэффициент извлечения составил внушительные 82%. Позже инженеры протестировали полученное вещество в реальных литий-ионных аккумуляторах.
Переработанный фторид лития добавили в стандартные электролиты. Масштабные тесты показали чёткий результат: батареи на «мусорном» сырьё работают стабильнее и эффективнее традиционных аналогов.
Прежние методы добычи лития далеки от экологических стандартов. Обычно корпорации строят гигантские испарительные бассейны, которые месяцами сохнут под солнцем. В засушливых регионах на это уходят миллиарды литров ценной воды.
Технология Университета Райса сокращает производственный цикл с нескольких месяцев до пары минут. Затраты воды и энергии при этом падают в несколько раз.
Новый подход даёт рынку двойную выгоду: индустрия избавляется от токсичных «вечных химикатов» и получает первоклассный литий для современных аккумуляторов. Детали исследования уже опубликовал журнал Nature Water.
Хочу первым узнавать о ТЕХНОЛОГИЯХ – ПОДПИСАТЬСЯ на Telegram
Читать свежие обзоры гаджетов на нашем сайте – TehnObzor.RU