Khai thác và tinh chế: lithium, cung cấp năng lượng cho tương lai với nước muối

nhiều năm trước, tôi đã đọc một bài viết ngắn về độ nóng mới: pin lithium. Tác giả đã mở với những gì anh ta nghi ngờ nghĩ là một tài liệu tham khảo văn hóa nhạc pop thông minh bằng cách nói rằng sự đề cập đơn thuần của lithium sẽ “tấn công lo lắng trong trái tim của Klingons”. Đó là một sự tham khảo yếu đến “tinh thể Dilithium” hư cấu của Fictional Trek Fame, và thậm chí sau đó tôi tìm thấy nó một chút cheesy, nhưng tôi đoán anh ta phải dẫn dắt với một cái gì đó.

Nhiều thập kỷ sau, sự hiểu biết sâu sắc hơn về truyền thuyết làm rõ rằng sự lo lắng duy nhất của Klingon là cái chết với sự bất lương, nhưng có một loài ở đây trên trái đất sống trong sự sợ hãi của lithium: CEO của các mối quan tâm sản xuất xe điện. Đối với họ, đó không phải là sự hiện diện của lithium tấn công nỗi sợ hãi, mà là sự vắng mặt tương đối của nó; Trong khi đó là một yếu tố phong phú thứ 25 trong lớp vỏ trái đất, và các gigatons được hòa tan vào các đại dương của thế giới, lithium rất phản ứng và do đó có xu hướng khuếch tán, khiến nó trở nên khó khăn để tập trung với số lượng công ty của họ phụ thuộc vào.

Khi xe điện và thị trường năng lượng tái tạo tiếp tục phát triển, nhu cầu về lithium để sản xuất pin sẽ phát triển với nó, có khả năng đến mức nhu cầu vượt trội khả năng sản xuất của ngành khai thác mỏ. Để hiểu việc mất cân bằng đó có thể như thế nào, chúng ta sẽ xem xét cách lithium hiện đang được khai thác, cũng như phân tích một số kỹ thuật khai thác mới có thể giúp lấp đầy khoảng cách lithium sắp tới.

Một khởi đầu đá

Mặc dù lithium đã được biết đến và đặc trưng bởi các nhà hóa học vì đầu những năm 1800, chỉ vào giữa thế kỷ trước mà việc sử dụng thương mại cho các hợp chất lithium đã được xác định. Nhu cầu của ngành công nghiệp máy bay về chất bôi trơn ổn định dẫn đến sự phát triển của các loại dầu mỡ được làm từ xà phòng lithium, và nhu cầu về các kim loại cao hiệu suất cao nhưng nhẹ dẫn dắt ngành công nghiệp nhôm sử dụng lithium để cải thiện quá trình luyện kim của Hall-Héroult. Trong cùng thời gian, các bác sĩ phát hiện ra rằng muối lithium có thể coi khách hàng bị rối loạn lưỡng cực.

Một tinh thể lớn của spodumene (lithium nhôm inosilicate, lial (sio3) 2) được tìm thấy ở Massachusetts. Nguồn: bởi Rob Lavinsky, Irocks.com – CC-BY-SA-3.0
Ngay cả với nhu cầu bổ sung của ngành công nghiệp hạt nhân Nascent bắt đầu từ những năm 1940, khá nhiều, tất cả các lithium cần thiết đều có thể được cung cấp từ các hoạt động khai thác đá cứng nhỏ khai thác các loại đá bao gồm các tinh thể lớn của khoáng chất lithium, như spodumene, petalite và lepidolite . Ba khoáng chất này vẫn có nhu cầu cao cho đến ngày nay để sản xuất lithium hydroxit, một trong hai hợp chất lithium chính được sử dụng bởi ngành công nghiệp.

Việc sản xuất lithium từ các mỏ đá cứng có rất nhiều điểm chung với các phương pháp khai thác và tinh chế khác mà chúng tôi đã thảo luận trong loạt bài này. Đá mang quặng bị nổ ra từ các mỏ hố mở, múc boop do bộ nạp khổng lồ, và vận chuyển đến một nhà máy tinh chế. Ở đó, đá được giảm kích thước bởi một loạt máy nghiền và nhà máy cho đến khi nó trở thành một loại bột mịn. Nước được thêm vào bột để tạo ra bùn được gọi là bột giấy, bao gồm chất hoạt động bề mặt và chất phân tán làm cho các khoáng chất chứa lithium kỵ nước. Trong một bể nông có không khí được bơm qua dưới đáy, lithium ánh sáng tạo thành một bọt nổi lên đỉnh trong khi các hạt đá nặng hơn chìm.

Sau khi bọt lithium được tách ra khỏi bể nổi, chất lỏng bổ sung được lọc ra để tạo ra một loại bột lithium tập trung nhưng không tinh khiết cần phải được tinh chế. Quá trình tinh chế phụ thuộc rất nhiều vào các khoáng chất nguồn và sản phẩm kết thúc mong muốn, nhưng đối với quặng bodumene tập trung, lithium thường được lọc ra bằng cách sử dụng sự kết hợp của axit sunfuric và natri hydroxit. Mặc dù đây là một tuyến đường trực tiếp với năng suất cao, axit và bazơ có thể gây ra nó có vấn đề về môi trường. Các quá trình lọc axit không có axit khác đã được phát triển là kết quả, được cho là loại xử lý Tesla đang sử dụng trong nhà máy lithium hydroxit mới của họ được xây dựng bên cạnh Texas Gigafactory của họ.

Xuống mỏ nước muối

Như đã thảo luận trước đây, nước biển bao gồm một cái gì đó giống như 230 tỷ tấn lithium, hòa tan chủ yếu như muối lithium. Trong khi điều này tạo thành phần lớn lithium trên hành tinh, nó quá khuếch tán – một 25 micromole – để phục vụ như một nguồn thương mại khả thi mà không có chi tiêu lớn về năng lượng để chiết xuất và tập trung nó. Nhưng nước biển không phải là nước muối duy nhất có chứa lithium, và trích xuất kim loại quan trọng từ nước muối ngầm đã trở thành phương thức sản xuất chính vì những năm 1990.

Cho đến nay, nước muối chịu lực đáng kể nhất được tìm thấy trong “Tam giác lithium” của Nam Mỹ. Chiếm các bộ phận của Chile, Bolivia và Argentina, khu vực này là nhà của các căn hộ muối lớn hoặc Salar, khu vực nơi các hồ cổ hoặc ao bay hơi, để lại sau muối và các khoáng chất kết tủa khác. Những căn hộ muối này đã xây dựng hơn hàng triệu năm, khiến các lớp khoáng chất phong phú dưới Tbề mặt người thừa kế. Và như chúng ta sẽ thấy, địa hình phẳng và các điều kiện khô cằn nghiêm trọng trên bề mặt cũng đóng một phần trong quá trình khai thác.

Ao ngâm nước muối tại salar de atacama ở Chile, như nhìn thấy từ không gian. Đối với quy mô, mỗi ao gầy, gầy ở trung tâm dài gần một km. Nguồn: Đài thiên văn Trái đất Nasa, bởi Lauren Dauphin
Khai thác Lithium Brine khá giống với bất kỳ phương pháp khai thác nào khác mà chúng ta đã bảo hiểm trước đây và không thể đơn giản hơn. Thay vì đào đá và cô lập sự cô lập vật chất quan tâm, khai thác nước muối bao gồm bơm nước xuống lắng đọng muối thông qua các lỗ khoan sâu. Nước hòa tan cặn muối, tạo ra một nước muối phong phú có thể được bơm lên trên bề mặt. Nước muối được bơm vào ao cạn và được để lại dưới ánh mặt trời để bay hơi.

Khi nhiều nước trong một cái ao đã bốc hơi – lên đến hai năm sau – nước muối tập trung bây giờ được thu hoạch. Sự tập trung bao gồm một loạt các yếu tố ngoài lithium, bao gồm natri, magiê, photphat và boron. Sự tập trung có thể thậm chí có thể được xử lý nhiều hơn tại chỗ, hoặc càng ngày càng phổ biến, được vận chuyển qua các đường ống đến các cảng để vận chuyển đến các nhà máy chế biến lithium ở nước ngoài.

Trên khuôn mặt của nó, phương pháp bay hơi để khai thác Lithium Brine có vẻ như là người chiến thắng. Nó rất đơn giản, nó được cung cấp năng lượng thực tế bởi mặt trời, và nó không có một số tác động mà một hoạt động khai thác mỏ mở lớn có thể có. Nhưng vẫn có những vấn đề lớn với sự tập trung bốc hơi. Trước hết, nó đòi hỏi một lượng lớn nước để tạo ra nước tiểu ở nơi đầu tiên, và vì ao bay hơi chỉ hữu ích ở những nơi không mưa nhiều, nước đã được cung cấp ngắn. Nước được sử dụng để khai thác nước muối cũng bị mất vào khí quyển, quay trở lại bề mặt ở đâu đó xa các ao bay hơi. Ngoài ra, các ao bay hơi chiếm một lượng lớn đất cực lớn – một số phức hợp ao bao gồm một khu vực có kích thước của Manhattan – khiến nó gây khó khăn để tăng quy mô hoạt động. Và lượng thời gian cần thiết để làm công việc của nó là một vấn đề về tính linh hoạt của sản xuất.

Một cách tốt hơn

Để tận dụng tối đa khai thác nước muối trong khi giảm thiểu những thiếu sót, các phương pháp trích xuất lithium trực tiếp đang ngày càng trở nên phổ biến. Trong DLE, nước muối được bơm từ các nguồn dưới lòng đất, nhưng thay vì tập trung nước muối bằng cách bay hơi mở, lithium được loại bỏ khỏi nước muối bằng cách sử dụng một số phương pháp hóa học và vật lý. Một phương pháp là sự hấp phụ trao đổi ion, trong đó nước muối được trộn với một vật liệu thấm hút tốt nhất là liên kết các hợp chất lithium trên các hợp chất khác trong nước muối. Một loại chất hấp thụ được sử dụng trong DLE được gọi là hydroxit đôi (ldh), vật liệu có cấu trúc phân lớp cho phép lithi clorua trong nước muối phù hợp giữa các lớp trong khi loại trừ kali, magiê và muối khác. Nước muối được trả lại trên mặt đất, trong khi litlal clorua có độ tinh khiết cao được rửa sạch khỏi chất hấp thụ.

Các phương pháp DLE khác bao gồm các công nghệ tách màng như thẩm thấu ngược, nơi nước muối được bơm ở áp suất cao thông qua màng có lỗ chân lông giữ cho muối lithium, hoặc bằng cách chiết dung môi, nơi sử dụng dung môi hữu cơ để chiết xuất lithium. Tuy nhiên, chủ đề chung với các phương thức DLE là thực tế là chúng là các quy trình vòng kín – nước được sử dụng để tạo ra nước muối được trả lại cho các hình dạng ngầm bao gồm cả lithium. Cây dle cũng chiếm một phần không gian vật lý mà ngay cả một ao bay hơi duy nhất cũng sẽ mất, và chúng không dựa vào môi trường cực đoan như Salars để hoạt động.

Tốt nhất của cả hai thế giới

Hấp dẫn như công nghệ DLE, ở quy mô cần thiết để có khả năng thương mại, các nhà máy DLE vẫn yêu cầu một lượng năng lượng công bằng để chạy. Nhưng ở một số nơi, một quirk địa chất đã để lại các mỏ lithium rộng rãi gần một nguồn năng lượng tái tạo dồi dào. Trong Thung lũng Hoàng gia California nằm ở Salton Sea, một hồ nước muối nội địa nằm trên đỉnh một loạt các lỗi địa chất tích cực, bao gồm cả lỗi San Andreas nổi tiếng. Khu vực này là lý tưởng cho sản xuất điện địa nhiệt, với mười một nhà máy hiện đang sản xuất 2.250 MW. Một số cây địa nhiệt này là đồng nằm với các nhà máy DLE, bơm nước nóng, giàu lithium được tinh chế sử dụng năng lượng địa nhiệt được tạo ra tại chỗ. Nói về môi trường, những cây như vậy là về tác động thấp như sản xuất lithium có thể, với nhà máy DLE địa nhiệt được xây dựng bởi công ty Úc kiểm soát tài nguyên nhiệt dự đoán sẽ sản xuất 68.000 tấn lithium cấp pin vào năm 2027.

Với nhu cầu về Lithium được đặt thành SOAR, khả năng trích xuất những gì chúng ta có thể từ các nguồn hạn chế mà chúng ta có sẵn sử dụng lượng năng lượng thấp nhất có thể đang trở thành một thách thức thực sự. Địa nhiệt Dle dường như là một khởi đầu tốt, nhưng số lượng địa điểm trên thế giới với cả hóa học thích hợp và kiến ​​tạo để hỗ trợ các hoạt động như vậy bị hạn chế. NóSẽ tham gia một số kỹ sư thông minh để có được ở phần còn lại của lithium có sẵn, ít nhất là với các tài nguyên công nghệ và năng lượng mà chúng tôi hiện có.

[Biểu ngữ Ảnh của Pablo Cozzaglio / AFP thông qua Getty Images]