Een slim idee om magnetische nanodeeltjes te gebruiken om waardevolle materialen uit pekel te vangen, is uitgegroeid tot proefprojecten op industriële schaal die kunnen helpen om de VS een producent te maken van cruciale mineralen die worden gebruikt in elektronica en energieproductie. Vandaag, de meeste van deze mineralen worden verkregen uit internationale bronnen, waarvan vele conflictgebieden zijn.

De technologie waarvoor patent is aangevraagd, ontwikkeld in het Pacific Northwest National Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie, exclusief in licentie is gegeven door Moselle Technologies, een startend bedrijf dat de technologie op verschillende Amerikaanse en internationale locaties test.

Samen, PNNL en Moselle hebben met succes gestreden om financiering voor technologieontwikkeling, inclusief twee Cooperative Research and Development Awards en een DOE Advanced Manufacturing Office-prijs 2021, om het proces voor het vastleggen van strategisch belangrijke elementen uit waterbronnen te bevorderen.

Het kernnanodeeltje bestaat uit een vorm van ijzeroxide, beter bekend als magnetiet. Dit kerndeeltje wordt gebruikt om de adsorberende schil te verankeren die selectief de verbindingen van belang bindt. Dat is de sleutel tot de gepatenteerde technologie. De nanodeeltjes kunnen worden ingebracht in pekel van geothermische installaties, geproduceerd water, mineraal mijnbouwafvalwater, en zeewater, waar ze zich vastklampen aan vrij zwevende doelverbindingen. Bij blootstelling aan een magneet, de ijzeren kern van het nanodeeltje gedraagt ​​zich als ijzervijlsel in het klassieke wetenschappelijke experiment:ze migreren naar de magneet, samen met het kritische materiaal waaraan ze zijn gebonden, en kan uit de pekel worden gefilterd. De technologie wordt aangepast voor het afvangen van lithium, een veelzijdig lichtgewicht metaal dat misschien het best bekend staat om zijn rol in batterijtechnologie.

"De huidige benaderingen voor lithiumwinning uit water, bijvoorbeeld, vereisen een verwerkingsstap die grote hoeveelheden water pompt, duizenden liters per minuut, via een ionenuitwisselingsfiltratiesysteem, waardoor het zowel energie-intensief als duur is, " zei Pete McGrail, PNNL-laboratoriummedewerker en erkend expert op het gebied van technologie voor het terugwinnen van zeldzame aardmetalen. "Ons nanotechnologieproces stelt ons in staat om alles te miniaturiseren en maakt de noodzaak voor massieve ionenuitwisselingsscheiders die nodig zijn in andere processen overbodig. Het is vrij eenvoudig. Binnen een paar minuten, vrijwel al het lithium is uit de oplossing getrokken door moleculaire botsingen met ons sorptiemiddel en kan vervolgens worden verwijderd met een magneet waar het gemakkelijk wordt verzameld en gezuiverd.

"Mensen hebben veel geld verloren door lithium te oogsten, " zei Jerry Mills, CEO van Moselle Technologies. "We hebben een andere manier nodig om het te doen. We waren op zoek naar de goedkoopste technologie om zeldzame aardelementen en strategisch belangrijke elementen zoals lithium te produceren. Voor veel van deze de VS heeft weinig tot geen productie. We gaan ons best doen om dat probleem op te lossen. We denken dat deze technologie ons over de kostendrempel zal helpen."

Thuis essentiële mineralen inkopen

Lithium, nikkel, kobalt en zeldzame aardelementen zijn erg in trek bij makers van halfgeleiders en windturbines, evenals batterijen die worden gebruikt in elektrische voertuigen en in andere groene energietechnologieën. Maar momenteel, de wereldwijde toeleveringsketen voor deze elementen is sterk afhankelijk van gedateerde winningsprocessen die energie-intensief zijn, veel water verbruiken, en giftig afval creëren. De invoer is goed voor 100 procent van het Amerikaanse aanbod voor 14 van de 35 kritieke materialen en meer dan de helft van de 17 andere, volgens het ministerie van Energie, waardoor de binnenlandse levering een topprioriteit is geworden. Deze PNNL-technologie, in laboratoriumontwikkeling voor meerdere jaren, is nu klaar voor veldtesten.

Proefprojecten starten in het voorjaar van 2021

Een van de geplande pilotprojecten combineert de middelen van de olie- en gasindustrie met de technologie van PNNL.

"Olie en gaspekel zijn een onaangeboorde binnenlandse bron van lithium, ' zei McGrail.

Olie- en gaswinning in de VS en Canada pompt grondwater naar de oppervlakte als onderdeel van het winningsproces. In veel van dit water is lithium aanwezig, over een groot aantal locaties. Wetenschappers van PNNL schatten dat als slechts 25 procent van het lithium in water dat door olie- en gaswinning wordt geproduceerd, zou worden opgevangen, het zou gelijk zijn aan de huidige jaarlijkse wereldwijde productie. Om deze mogelijkheid te verkennen, PNNL, Moezel technologieën, Canada Natural Resources Limited en Conoco Phillips Corporation zullen een langdurige test uitvoeren bij PNNL's Richland, Wassen., campus. Daar, het team zal de technologie aan een stresstest onderwerpen door deze te onderwerpen aan uitgebreide cyclustests met het magnetische scheidingssysteem, een noodzakelijke stap voor grootschalige industriële productie.

"Door de magnetische nanodeeltjes te gebruiken om zich in oplossing aan de lithiumdeeltjes te hechten, we verwachten dat het resulterende concentraat in een zuiverdere vorm zal zijn, waardoor de kosten van verdere verwerking worden verlaagd, "zei Mills. "En dit zal meer dan de helft van de kosten kosten."

Een tweede project, die in januari werd aangekondigd na een competitieve sollicitatieprocedure, zal worden gefinancierd via een DOE Advanced Manufacturing Office FY20-prijs. In dit project, de bedrijven Enerplus Corporation, Prairie Lithium Corporation, Enertopia Corporation en Dajin Lithium Corporation zullen de technologie onderzoeken voor mogelijke toepassing in lithiummijnen in Nevada en Canada. Het werk is goedgekeurd en zal in het voorjaar van 2021 van start gaan.

Meer dan lithium

de schone, niet-vervuilende technologie kan ook worden gebruikt voor de terugwinning van andere kritieke materialen. Een derde coöperatief onderzoeksproject zal die mogelijkheid onderzoeken.

"We hebben sorptiematerialen ontwikkeld die specifiek zijn voor veel elementen, ", zegt McGrail. "In dit project, gaan we samenwerken met het in Nieuw-Zeeland gevestigde geothermiebedrijf Geo40, die cesium heeft geïdentificeerd dat aanwezig is in zijn pekel. In dit project, het team zal het werk dat gedaan is om lithium terug te winnen uitbreiden naar nieuwe sorptiemiddelen die zeer selectief zijn voor cesium. Indien succesvol, de groep wil een fabriek op proefschaal bouwen in Nieuw-Zeeland.