Sinds de oudheid hebben mensen zouten, zoals tafelzout, uit de oceaan gewonnen. Hoewel tafelzout het gemakkelijkst te verkrijgen is, is zeewater een rijke bron van verschillende mineralen, en onderzoekers onderzoeken welke ze uit de oceaan kunnen halen. Een zo'n mineraal, magnesium, is overvloedig aanwezig in de zee en wordt steeds nuttiger op het land.

Magnesium heeft opkomende duurzaamheidsgerelateerde toepassingen, waaronder in koolstofafvang, koolstofarm cement en potentiële batterijen van de volgende generatie. Deze toepassingen brengen hernieuwde aandacht voor de binnenlandse magnesiumproductie. Momenteel wordt magnesium in de Verenigde Staten gewonnen via een energie-intensief proces uit pekel uit zoutmeren, waarvan sommige gevaar lopen door droogte. Het ministerie van Energie heeft magnesium opgenomen op de onlangs vrijgegeven lijst van kritische materialen voor binnenlandse productie.

Een paper gepubliceerd in Environmental Science &Technology Letters laat zien hoe onderzoekers van Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) en de University of Washington (UW) een eenvoudige manier hebben gevonden om een ​​puur magnesiumzout, een grondstof voor magnesiummetaal, uit zeewater te isoleren. Hun nieuwe methode laat twee oplossingen naast elkaar stromen in een lange stroom. Dit proces, dat de laminaire coflow-methode wordt genoemd, maakt gebruik van het feit dat de stromende oplossingen een constant reagerende grens creëren. Verse oplossingen stromen voorbij, waardoor het systeem nooit een evenwicht kan bereiken.

Deze methode speelt een nieuwe truc met een oud proces. Halverwege de 20 ^e eeuw creëerden chemische bedrijven met succes magnesiumgrondstoffen uit zeewater door het te mengen met natriumhydroxide, beter bekend als loog. Het resulterende magnesiumhydroxidezout, dat de antacidummelk van magnesia zijn naam geeft, werd vervolgens verwerkt om magnesiummetaal te maken. Het proces resulteert echter in een complex mengsel van magnesium- en calciumzouten, die moeilijk en kostbaar te scheiden zijn. Dit recente werk produceert puur magnesiumzout, wat een efficiëntere verwerking mogelijk maakt.

"Normaal gesproken brengen mensen het scheidingsonderzoek vooruit door meer gecompliceerde materialen te ontwikkelen", zegt PNNL-chemicus en UW-filiaalhoogleraar Materials Science and Engineering Chinmayee Subban. "Dit werk is zo opwindend omdat we een heel andere aanpak hanteren. We hebben een eenvoudig proces gevonden dat werkt. Als het wordt opgeschaald, kan dit proces de wedergeboorte van de Amerikaanse magnesiumproductie helpen stimuleren door primaire grondstof te genereren. We zijn omringd door een enorme , blauwe, onaangeboorde bron."

Van Sequim-water tot vast zout

Subban en het team testten hun nieuwe methode met zeewater van de PNNL-Sequim-campus, waardoor de onderzoekers konden profiteren van de PNNL-faciliteiten in de staat Washington.

"As a Coastal Sciences staff member, I just called a member of our Sequim chemistry team and requested a seawater sample," said Subban. "The next day, we had a cooler delivered to our lab in Seattle. Inside, we found cold packs and a bottle of chilled Sequim seawater." This work represents the collaboration that can happen across PNNL's Richland, Seattle, and Sequim campuses.

In the laminar coflow method, the researchers flow seawater alongside a solution with hydroxide. The magnesium-containing seawater quickly reacts to form a layer of solid magnesium hydroxide. This thin layer acts as a barrier to solution mixing.

"The flow process produces dramatically different results than simple solution mixing," said PNNL postdoctoral researcher Qingpu Wang. "The initial solid magnesium hydroxide barrier prevents calcium from interacting with the hydroxide. We can selectively produce pure solid magnesium hydroxide without needing additional purification steps."

The selectivity of this process makes it particularly powerful. Generating pure magnesium hydroxide, without any calcium contamination, allows researchers to skip energy-intensive and expensive purification steps.

Sustainability for the future

The new and gentle process has the potential to be highly sustainable. For example, the sodium hydroxide used to extract the magnesium salt can be generated on site using seawater and marine renewable energy. Removing magnesium is a necessary pre-treatment for seawater desalination. Coupling the new process with existing technologies could make it easier and cheaper to turn seawater into freshwater.

The team is particularly excited about the future of the process. Their work is the first demonstration of the laminar coflow method for selective separations. This new approach has many additional potential applications, but more work needs to be done to understand the underlying chemistry of the process. The knowledge gap offers new possibilities and research directions for powering the blue economy.

"We want to take this work from the empirical to the predictive," said PNNL materials scientist Elias Nakouzi. "There is an exciting opportunity to develop a fundamental understanding of how this process operates while applying it to important problems like creating new energy materials and achieving selective separation of hard-to-separate ions for water treatment and resource recovery." + Verder verkennen

Extracting high-quality magnesium sulphate from seawater desalination brine