'Siêu chất’ trong nước biển: Kho báu tương lai khiến cả thế giới thèm muốn

Đó chính là lithium - một chất để sản xuất pin lithium - loại công nghệ pin tiên tiến xuất hiện trong điện thoại, máy tính, ô tô điện, hàng không.

Các nhà nghiên cứu tại Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah, một trường đại học nghiên cứu tư nhân ở Ả Rập Xê Út đã phát triển thứ mà họ tin rằng sẽ là một hệ thống khả thi về mặt kinh tế để chiết xuất lithium có độ tinh khiết cao từ nước biển.

Những nỗ lực trước đây để tách chất liti khỏi hỗn hợp kim loại tạo ra cùng với natri, magie và kali trong nước biển thu được rất ít. Mặc dù nước biển chứa lượng lithium nhiều hơn 5.000 lần so với những gì có thể tìm thấy trên đất liền, nhưng nó tồn tại ở nồng độ cực thấp, khoảng 0,2 phần triệu.

Để giải quyết vấn đề này, nhóm nghiên cứu do Zhiping Lai đứng đầu đã thử một phương pháp chưa từng được sử dụng trước đây để chiết xuất các ion liti. Họ đã sử dụng một tế bào điện hóa có chứa một màng gốm làm từ oxit titan lithium lantan (LLTO).

Trong bài báo khoa học đăng trên tạp chí Khoa học Môi trường & Năng lượng, các nhà nghiên cứu giải thích rằng cấu trúc tinh thể của màng chứa các lỗ đủ rộng để cho phép các ion liti đi qua đồng thời ngăn chặn các ion kim loại lớn hơn khác.

Mặt khác, màng này gồm có ba ngăn. Nước biển chảy vào một buồng cấp liệu trung tâm, nơi các ion liti dương đi qua màng LLTO vào một ngăn bên có chứa dung dịch đệm và một cực âm bằng đồng phủ platin và ruthenium. Đồng thời, các ion âm thoát ra khỏi buồng cấp liệu qua màng trao đổi anion tiêu chuẩn, đi vào ngăn thứ ba chứa dung dịch natri clorua và cực dương platin-ruthenium.

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm hệ thống trên thực tế bằng cách sử dụng nước từ Biển Đỏ. Ở 3,25 V, tế bào sinh ra khí hiđro ở cực âm và khí clo ở cực dương. Điều này kích thích sự vận chuyển liti qua màng LLTO, nơi nó tích tụ trong buồng bên. Nước làm giàu liti sau đó được sử dụng làm nguyên liệu để khai thác liti. Nó trải qua bốn chu kỳ xử lý nữa, và cuối cùng, các nhà khoa học đã đạt được nồng độ lithium hơn 9000 ppm (đơn vị đo mật độ thường dành cho các mật độ tương đối thấp).

Ảnh minh họa.

Để làm cho sản phẩm cuối cùng đủ tinh khiết đáp ứng yêu cầu của các công ty sản xuất pin, các nhà khoa học đã điều chỉnh độ pH của dung dịch để tạo ra lithium phosphate rắn có chứa các dấu vết đơn giản của các ion kim loại khác.

Theo các nhà nghiên cứu, tế bào có thể sẽ cần 5 đô la điện để chiết xuất 1 kg lithium từ nước biển. Điều này có nghĩa là giá trị của hydro và clo do tế bào tạo ra sẽ bù đắp được chi phí điện năng, và nước biển dư cũng có thể được sử dụng trong các nhà máy khử muối để cung cấp nước ngọt.

Theo nghiên cứu được công bố, việc chiết xuất 1 ki-lo-gram lithium từ nước biển sẽ tốn 5 đô la (đây là chi phí điện năng). Chi phí hydro và clo được tạo ra từ quá trình điện phân cuối cùng sẽ bù đắp chi phí điện, và nước biển còn lại có thể được khử muối.

Kế hoạch khai thác liti từ nước biển không phải là mới. Nghiên cứu của International Business Machines (một tập đoàn công nghệ máy tính đa quốc gia có trụ sở tại Armonk, New York, Mỹ) đã báo cáo về vật liệu pin từ nước biển vào cuối năm 2019.

Mặc dù các đại dương chứa nhiều lithium tuy nhiên nguyên liệu này chỉ xuất hiện trong nước biển với nồng độ cực thấp. Trong báo cáo của mình, Đại học Khoa học và Công nghệ King Abdullah đề cập đến nồng độ lithium chỉ 0,2 ppm, trong khi lượng lithium xuất hiện trong đại dương cao hơn khoảng 5.000 lần so với trên đất liền.

Để chiết xuất lithium này ở quy mô lớn hơn, cần một lượng nước biển khổng lồ theo phương pháp của các dự án nghiên cứu trước đó, do đó cũng cần rất nhiều năng lượng để bơm lượng nước này qua các cơ sở. Phương pháp của Ả Rập Xê Út được cho là để giải quyết vấn đề này.

Với báo cáo khoa học gần đây nhất của trường Đại học tại Ả Rập Xê Út sẽ mở ra một phương pháp mới cho cung cấp nguyên liệu lithium tinh khiết nhằm phục vụ cho công tác chế tạo pin lithium trong tương lai.