Химики нашли способ эффективно опреснять воду и добывать литий из рассола с помощью MOF-мембран, как в живых клетках

Дефицит лития — одна из главных причин дороговизны литий-ионных аккумуляторов, а как следствие, дороговизны электромобилей, где аккумуляторы составляют более половины стоимости. Если бы не сложность с его добычей, то мы жили бы сегодня в совершенно другом мире, где альтернативная энергетика, возможно, была бы гораздо шире распространена, а о сжигании углеводородов на транспорте люди стали бы постепенно забывать. Но реальность такова, что богатых месторождений не так много: они находятся в Аргентине, Боливии, Чили, Китае, США, России и нескольких других странах.

Мировые запасы лития сами по себе велики. Только в России 1 млн тонн лития, но здесь после распада СССР его больше не добывают: отечественные предприятия импортируют литийсодержащий концентрат из Конго и Китая. Добыча карбоната лития Li2CO3 предполагает выпаривание рассола в сильносолёных озёрах (Чили, Боливия, Аргентина, США) или кислотную переработку, как в случае с российской рудой. После выпаривания производится хлорирование карбоната с получением LiCl, электролиз () и вакуумная дистилляция. Всего на мировых месторождениях добывается около 35 000 тонн лития в год.

К счастью, всё больший процент литий-ионных аккумуляторов повторно перерабатывается, так что сейчас вторичная переработка даёт заметный процент всего лития, который поступает на производственные предприятия.

Но лития всё равно не хватает. Спрос на литий постоянно превышает предложение — и растёт с каждым годом. Возможно, эту проблему получится решить неординарным способом. Дело в том, что гигантские запасы лития содержит Мировой океан (в нём также растворены огромные запасы золота и других металлов). Вопрос в том, как дёшево и эффективно добыть эти богатства. Новый эффективный способ извлечения лития и других металлов из морской воды предложили химики из Техасского университета в Остине (США), Университета Монаша и Государственного объединения научных и прикладных исследований (оба — Австралия).

Они предложили технологический процесс с использованием металл-органических каркасных мембран (MOF), которые копируют механизм фильтрации — ионную селективность — мембран биологических клеток в живых организмах. Этот высокоэффективный легко отделяет ионы металлов. За его открытие в живых клетках была присуждена Нобелевская премия 2003 года по химии. Его можно использовать не только для переработки морской воды, но и горных руд.

Другой побочный продукт после фильтрации металлов в солёной воде — пресная вода, пригодная для питья. То есть техпроцесс одновременно выдаёт ценную руду и пресную воду. «Перспектива использования MOF для устойчивой фильтрации воды невероятно интересна с точки зрения общественной пользы, в то время как лучший способ извлечения ионов лития для удовлетворения глобального спроса поможет создать новые отрасли промышленности», — сказала Анита Хилл (Anita Hill), ведущий научный сотрудник Государственного объединения научных и прикладных исследований.

Эффективное опреснение воды — главная задача, которую ставили перед собой исследователи. «Но это лишь малая часть возможного потенциала этого феномена, — говорит Хуантин Ван (Huanting Wang), профессор Университета Монаша. — Мы продолжим исследовать селективность этих мембран к ионам лития для практического использования. Ионы лития в обильном количестве присутствуют в морской воде, так что открытие может иметь большое значение для горнодобывающей промышленности, где сейчас используются неэффективные химические методы извлечения лития из горных пород и рассолов. Мировой спрос на литий, необходимый для электроники и батарей, очень высокий. Эти мембраны позволяют очень эффективно извлекать ионы лития из морской воды».

Так что в будущем Мировой океан может стать богатым и легкодоступным ресурсом лития. Возможно, кроме лития мембраны научатся использовать для фильтрации золота и других металлов, необходимых промышленности.

Научная статья опубликована 9 февраля 2018 года в журнале Science Advances (doi: 10.1126/sciadv.aaq0066).