Une technologie révolutionnaire à membrane extrait le lithium de l’eau

Laboratoire national d'Argonne, Lemont, Illinois, et Université de Chicago, Illinois

Cellule en forme de H pour étudier le comportement de transport membranaire :une moitié contient un mélange d'eau salée (liquide bleu), l'autre montre le résultat après séparation membranaire (liquide clair). De gauche à droite :Seth Darling et Yining Liu. (Image :Laboratoire National d'Argonne)

Le lithium, le métal le plus léger du tableau périodique, joue un rôle central dans la vie moderne. Son faible poids et sa haute densité énergétique le rendent idéal pour les véhicules électriques, les téléphones portables, les ordinateurs portables et les technologies militaires où chaque once compte. Alors que la demande de lithium monte en flèche, les inquiétudes concernant l'approvisionnement et la fiabilité augmentent.

Pour aider à répondre à la demande croissante et aux éventuels problèmes de chaîne d’approvisionnement, les scientifiques du Laboratoire national d’Argonne du Département américain de l’énergie (DOE) ont développé une technologie de membrane innovante qui extrait efficacement le lithium de l’eau. Plusieurs membres de l'équipe occupent également des postes conjoints avec la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago.

"La nouvelle membrane que nous avons développée offre une alternative potentielle abondante et peu coûteuse pour l'extraction du lithium ici chez nous", a déclaré Seth Darling, directeur scientifique et technologique de la direction des technologies énergétiques avancées d'Argonne. Il est également directeur du Centre de recherche sur les frontières énergétiques des matériaux avancés pour les systèmes énergie-eau (AMEWS) à Argonne et scientifique principal PME.

À l’heure actuelle, la majeure partie du lithium mondial provient d’exploitations minières en roche dure et de lacs salés dans quelques pays seulement, ce qui rend les chaînes d’approvisionnement vulnérables aux perturbations. Pourtant, la majeure partie du lithium terrestre est en réalité dissoute dans l’eau de mer et les réserves souterraines d’eau salée. Le problème ? L’extraire de ces sources non conventionnelles s’avère extrêmement coûteux, gourmand en énergie et inefficace. Les méthodes traditionnelles ont du mal à séparer le lithium d'autres éléments plus abondants comme le sodium et le magnésium.

Dans l’eau salée, le lithium et d’autres éléments existent sous forme de cations. Ce sont des atomes qui ont perdu un ou plusieurs électrons, ce qui leur confère une charge électrique positive. La clé d'une extraction efficace du lithium réside dans le filtrage des autres cations en fonction de leur taille et de leur degré de charge.

Structure atomique de la membrane de vermiculite montrant des couches 2D soutenues par des piliers d'oxyde d'aluminium. Les boules jaunes sont dopées aux ions sodium. (Image :Laboratoire National d'Argonne)

La nouvelle membrane offre une solution prometteuse à faible coût. Il est fabriqué à partir de vermiculite, une argile naturellement abondante qui ne coûte qu’environ 350 dollars la tonne. L’équipe a développé un procédé permettant de séparer l’argile en couches ultrafines – d’à peine un milliardième de mètre d’épaisseur – puis de les réempiler pour former une sorte de filtre. Ces couches sont si fines qu'elles sont considérées comme 2D.

Mais il y avait un problème :non traitées, les couches d'argile se désagrègent dans l'eau en une demi-heure en raison de leur forte affinité avec celle-ci.

Pour résoudre ce problème, les chercheurs ont inséré des piliers microscopiques d’oxyde d’aluminium entre les couches, donnant à la structure l’apparence d’un parking de grande hauteur en construction – avec de nombreux piliers solides maintenant chaque « étage » en place. Cette architecture évite l'effondrement tout en neutralisant la charge négative de surface de la membrane, une étape cruciale pour les modifications ultérieures.

Ensuite, les cations sodium ont été introduits dans la membrane, où ils se sont déposés autour des piliers d’oxyde d’aluminium. Cela a changé la charge de surface de la membrane de neutre à positive. Dans l’eau, les ions magnésium et lithium portent une charge positive, mais les ions magnésium portent une charge plus élevée (+2) que ceux du lithium (+1). La surface chargée positivement de la membrane repousse les ions magnésium les plus chargés avec plus de force que les ions lithium. Cette différence permet à la membrane de capturer plus facilement les ions lithium tout en empêchant les ions magnésium d'entrer.

Pour affiner davantage les performances, l’équipe a ajouté encore plus d’ions sodium. Cela a diminué la taille des pores de la membrane. Le résultat est que la membrane laisse passer les ions plus petits comme le sodium et le potassium tout en attrapant les ions lithium plus gros.

"En filtrant à la fois la taille et la charge des ions, notre membrane peut extraire le lithium de l'eau avec une bien plus grande efficacité", a déclaré le premier auteur Yining Liu, titulaire d'un doctorat. candidat à UChicago et membre de l’équipe AMEWS. "Une telle membrane pourrait réduire notre dépendance vis-à-vis des fournisseurs étrangers et ouvrir la porte à de nouvelles réserves de lithium dans des endroits que nous n'avions jamais envisagés."

Les chercheurs pensent que cette avancée pourrait avoir des applications plus larges, depuis la récupération d'autres matériaux clés comme le nickel, le cobalt et les terres rares, jusqu'à l'élimination des contaminants nocifs des réserves d'eau.

"Il existe de nombreux types de ce matériau argileux", a déclaré Liu. "Nous étudions comment cela pourrait aider à collecter des éléments critiques de l'eau de mer et des saumures des lacs salés ou même à purifier notre eau potable."

Pour plus d'informations, contactez Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser. ou Seth Darling à Cette adresse e-mail est protégée contre les robots spammeurs. Vous devez activer Javascript pour le visualiser..