Magnetiske nanopartikler trækker værdifulde elementer fra vandkilder

En smart idé om at bruge magnetiske nanopartikler til at fange værdifulde materialer fra saltlage er blomstret op i pilotprojekter i industriel skala, der kan hjælpe med at gøre USA til en producent af kritiske mineraler, der bruges i elektronik- og energiproduktion. I dag, de fleste af disse mineraler kommer fra internationale kilder, hvoraf mange er højkonfliktområder.

Den patentanmeldte teknologi, udviklet ved U.S. Department of Energy's Pacific Northwest National Laboratory, er udelukkende licenseret af Moselle Technologies, en nystartet virksomhed, der driver teknologien i flere amerikanske og internationale lokationer.

Sammen, PNNL og Moselle har med succes konkurreret om finansiering af teknologiudvikling, inklusive to Cooperative Research and Development Awards og en 2021 DOE Advanced Manufacturing Office-pris, at fremme processen med at fange strategisk vigtige elementer fra vandkilder.

Kernenanopartiklen består af en form for jernoxid bedre kendt som magnetit. Denne kernepartikel bruges til at forankre den adsorberende skal, der selektivt binder forbindelserne af interesse. Det er nøglen til den patenterede teknologi. Nanopartiklerne kan indføres i saltlage fra geotermiske anlæg, produceret vand, mineraludvinding af spildevand, og havvand, hvor de hænger fast på frit flydende målforbindelser. Når de udsættes for en magnet, nanopartiklernes jernkerne opfører sig som jernspåner gør i det klassiske videnskabelige eksperiment - de migrerer mod magneten, sammen med det kritiske materiale, som de er bundet til, og kan filtreres fra saltlagen. Teknologien tilpasses til indfangning af lithium, et alsidigt letvægtsmetal måske bedst kendt for sine roller inden for batteriteknologi.

"Nuværende tilgange til lithiumudvinding fra vand, for eksempel, kræver et behandlingstrin, der pumper store mængder vand, tusindvis af liter i minuttet, gennem et ionbytningsfiltreringssystem, gør det både energikrævende og dyrt, " sagde Pete McGrail, PNNL laboratoriestipendiat og anerkendt ekspert i genvindingsteknologi for sjældne jordarter. "Vores nanoteknologiske proces giver os mulighed for at miniaturisere alt og fjerner behovet for massive ionbytningsseparatorer, der kræves i andre processer. Det er ganske enkelt. Inden for få minutter, stort set alt litium er blevet trukket ud af opløsningen ved molekylære kollisioner med vores sorbent og kan derefter fjernes med en magnet, hvor det let opsamles og renses. "

"Folk har mistet mange penge på at prøve at høste lithium, " sagde Moselle Technologies CEO Jerry Mills. "Vi har brug for en anden måde at gøre det på. Vi havde ledt efter den billigste teknologi til at producere sjældne jordarters elementer og strategisk vigtige elementer som lithium. For mange af disse, USA har lidt eller ingen produktion. Vi vil gøre vores bedste for at løse det problem. Vi tror, ​​at denne teknologi vil få os over omkostningshærsklen."

Anskaffelse af kritiske mineraler derhjemme

Lithium, nikkel, kobolt og sjældne jordarters grundstoffer er i høj efterspørgsel af producenter af halvledere og vindmøller, samt batterier, der bruges i elbiler og i andre grønne energiteknologier. Men pt. den globale forsyningskæde for disse elementer er stærkt afhængig af daterede udvindingsprocesser, der er energikrævende, forbruge meget vand, og skabe giftigt affald. Import udgør 100 procent af amerikansk forsyning for 14 ud af 35 kritiske materialer og mere end halvdelen af ​​17 andre, ifølge Energiministeriet, hvilket har gjort indenlandsk forsyning til en topprioritet. Denne PNNL-teknologi, i laboratorieudvikling i flere år, er nu klar til felttest.

Pilotprojekter lanceret i foråret 2021

Et af de planlagte pilotprojekter kombinerer olie- og gasindustriens ressourcer med PNNLs teknologi.

"Olie- og gaslage er en uudnyttet indenlandsk ressource af lithium, " sagde McGrail.

Olie- og gasudvinding på tværs af USA og Canada pumper vand under overfladen til overfladen som en del af udvindingsprocessen. Lithium er til stede i meget af dette vand, over en lang række steder. PNNL-forskere vurderer, at hvis blot 25 procent af lithium i vand produceret gennem olie- og gasudvinding blev indsamlet, det ville svare til den nuværende årlige verdensomspændende produktion. For at undersøge denne mulighed, PNNL, Moselle Technologies, Canada Natural Resources Limited og Conoco Phillips Corporation vil udføre en langvarig test på PNNL's Richland, Vask., universitetsområde. der, holdet vil stress-teste teknologien ved at udsætte den for forlænget cyklus test med det magnetiske separatorsystem, et nødvendigt skridt til industriel produktion i fuld skala.

"Ved at bruge de magnetiske nanopartikler til at binde til lithiumpartiklerne i opløsning, vi forventer, at det resulterende koncentrat er i en renere form, derved reducere omkostningerne ved yderligere behandling, " sagde Mills. "Og det vil koste mere end halvdelen af ​​omkostningerne."

Et andet projekt, som blev annonceret i januar efter en konkurrencedygtig ansøgningsproces, vil blive finansieret gennem en DOE Advanced Manufacturing Office FY20-pris. I dette projekt, selskaberne Enerplus Corporation, Prairie Lithium Corporation, Enertopia Corporation og Dajin Lithium Corporation vil undersøge teknologien til potentiel anvendelse ved lithiumminer i Nevada og Canada. Arbejdet er godkendt og vil komme i gang i foråret 2021.

Mere end lithium

Det rene, ikke-forurenende teknologi kunne også bruges til genvinding af andre kritiske materialer. Et tredje samarbejdsprojekt vil undersøge denne mulighed.

"Vi har udviklet sorbentmaterialer, der er specifikke for mange elementer, " siger McGrail. "I dette projekt, vi vil arbejde med det New-Zealand-baserede geotermiske firma Geo40, som har identificeret cæsium til stede i sine saltlage. I dette projekt, holdet vil udvide arbejdet med at genvinde lithium til nye sorbenter, der er meget selektive for cæsium. Hvis det lykkes, gruppen vil gerne bygge et pilotanlæg i New Zealand.