Neuartige Methode zur direkten Lithiumextraktion aus Produktionswasser

Neue Möglichkeit, um der hohen Nachfrage nach Elektrofahrzeugen und grüner Energie zu begegnen

12.09.2024

Im Zuge des weltweiten Übergangs zu saubereren Energiequellen ist der Bedarf an energierelevanten Metallen und kritischen Mineralien dramatisch angestiegen. Angetrieben durch den Aufstieg von Elektrofahrzeugen und anderen umweltfreundlichen Technologien besteht weltweit eine hohe Nachfrage nach diesen wichtigen Materialien.

Metalle, wie z. B. Lithium, können nicht angebaut werden. Sie müssen abgebaut oder recycelt werden, weshalb dies für die Forscher in der Bergbauindustrie höchste Priorität hat. Herkömmliche Methoden des Lithiumabbaus sind teuer und können die Umwelt belasten, aber Forscher an der Virginia Tech haben einen Weg gefunden, diese Auswirkungen auf die Umwelt zu minimieren. Sie werden diese Methode mit Hilfe eines anstehenden Zuschusses des Energieministeriums im Wert von über 1,8 Millionen Dollar, davon 1,5 Millionen Dollar in Form von Bundesanteilen, optimieren und ausbauen.

Wencai Zhang, außerordentlicher Professor in der Abteilung für Bergbau- und Mineralieningenieurwesen, leitet dieses Projekt zur Gewinnung von stark nachgefragten Metallen wie Lithium und Seltene Erden aus dem Produktionswasser des Marcellus-Schiefergebiets im Appalachenbecken. Produktionswasser ist natürlich vorkommendes Wasser, das bei der Erdgasförderung aus dem Boden kommt und Schadstoffe wie Lithium sowie Natriumchlorid, Kalzium und Magnesium enthalten kann, die einen extrem hohen Salzgehalt verursachen. Ziel der Forscher ist es, den Salzgehalt zu senken und die Schadstoffe zu entfernen, während gleichzeitig Lithium für andere Produktionsanwendungen gewonnen wird.

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"Stark nachgefragte Metalle und Mineralien wie Lithium spielen eine wesentliche Rolle bei der Herstellung von Elektrofahrzeugen und sind in praktisch jeder Batterie weltweit enthalten", so Zhang. "Unser Ziel ist es, einen Beitrag zur Lieferkette dieser wichtigen Materialien zu leisten und gleichzeitig einen positiven Einfluss auf die Umwelt zu haben. Wir wollen insbesondere die Umweltauswirkungen reduzieren, die mit dem produzierten Wasser verbunden sein können."

Der neue Ansatz

Obwohl bereits mehrere Studien zur Lithiumgewinnung aus Produktionswasser durchgeführt wurden, wurde noch kein vollständiger Prozess entwickelt, der Lithium in Batteriequalität produzieren kann.

Zhang und sein Team haben ein neuartiges Verfahren entwickelt, um Produktionswasser nutzbringend zu verwerten, einschließlich der Rückgewinnung wertvoller Mineralien und der Kohlenstofffixierung. Ihr Projekt umfasst fünf Hauptphasen zur Aufbereitung des geförderten Wassers und zur Gewinnung dieser stark nachgefragten Mineralien.

Phase eins: Aufbereitung des produzierten Wassers

Zhang und sein Team werden zunächst das Förderwasser aus dem Marcellus Shale im Appalachenbecken aufbereiten, um alle festen Partikel zu entfernen und gleichzeitig den Verlust an wertvollen Mineralien so gering wie möglich zu halten.

Phase zwei: Gewinnung von Seltenerdmetallen und kritischen Metallen

Um diese begehrten Mineralien zu gewinnen, hat Zhang patentierte und zum Patent angemeldete Technologien zur Rückgewinnung kritischer Mineralien aus dem geförderten Wasser entwickelt. Die Konzentration der Mineralien im geförderten Wasser ist für eine effiziente Rückgewinnung zu niedrig. Daher konzentriert Zhangs Methode, die als stufenweise Ausfällung bekannt ist, kritische Elemente aus der Lösung, so dass sie effizient extrahiert und weiter veredelt werden können.

Dritte Phase: Direkte Lithiumgewinnung

Die herkömmliche Methode der Lithiumgewinnung aus der Erde ist kostspielig und erfordert einen hohen Energieaufwand. Die Forscher werden ein speziell entwickeltes Ionenaustauschsystem, das bei der Trennung von Stoffen eingesetzt wird und spezifisch für Lithium selektiv ist, mit einem mehrstufigen Lösungsmittelextraktionsverfahren kombinieren, das für die Aufbereitung von Produktionswasser erheblich modifiziert wurde. Die neuartige Methode von Zhang und seinem Team zur direkten Lithiumextraktion ist kostengünstig und weniger energieintensiv.

Vierte Phase: Kohlenstoffmineralisierung

Das geförderte Wasser enthält Erdalkalimetalle wie Kalzium und Magnesium, die zur Wasserhärte bzw. zur Nutzbarkeit des Wassers beitragen. Zhang und sein Team werden die Kohlenstoffmineralisierung nutzen, um diese Metalle zu entfernen, indem sie einer Lösung, die Erdalkalimetalle enthält, Kohlendioxidgas hinzufügen, wodurch sich Karbonatverbindungen wie Kalziumkarbonat bilden und aus der Lösung absetzen können. Durch die Umwandlung von Kohlendioxid und Mineralien in feste Partikel können diese dann aus dem Wasser herausgefiltert werden.

Fünfte Phase: Phyto-mikrobielle Behandlung

In der letzten Projektphase werden Zhang und sein Team den Salzgehalt reduzieren und Schadstoffe aus dem geförderten Wasser mit Hilfe der phyto-mikrobiellen Behandlung entfernen, bei der Pflanzen und ihre jeweiligen Mikroben zur Reinigung der Schadstoffe im geförderten Wasser eingesetzt werden. Dabei werden absichtlich bestimmte Pflanzen mit hervorragenden Reinigungseigenschaften ausgewählt, die normalerweise nicht an dem Ort wachsen, an dem das geförderte Wasser anfällt. Diese Pflanzen und Mikroben werden auf die Beseitigung aller Verunreinigungen zugeschnitten, was zu einem saubereren Wasser führt.

Umweltverbesserungen für die Zukunft

Die bei diesem Projekt gewonnenen Mineralien spielen eine entscheidende Rolle in unserer modernen Gesellschaft. Im Hinblick auf die Zukunft von Elektrofahrzeugen arbeitet Zhang mit interdisziplinären Forschern und Industriepartnern zusammen, die ihr Fachwissen und ihre relevanten Daten in das Projekt einbringen werden. Zu ihren Partnern gehören

Colleen Doherty, außerordentliche Professorin für Molekular- und Strukturbiochemie an der North Carolina State University, wird Phase fünf des Projekts leiten.
Austin Elements, ein Unternehmen für Batterierecycling, wird die Bemühungen der dritten Phase sowie den Bau der Pilotanlage und die technisch-wirtschaftlichen Aspekte der Kommerzialisierung leiten.
Die EQT Corporation, ein führender Erdgasproduzent in den Vereinigten Staaten, der im Appalachenbecken tätig ist, wird dem Team ausreichend Produktionswasser für experimentelle Tests zur Verfügung stellen.

Wenn man an einem Projekt mit so bedeutenden Auswirkungen wie sauberer Energie und sauberem Wasser zusammenarbeitet, ist ein gemeinsames Ziel von entscheidender Bedeutung. Das Ziel des Forschungsteams für dieses Projekt kommt unserer Region zugute.

"Das Marcellus-Schiefergestein ist eine bedeutende geologische Formation, die für ihre reichen Erdgasvorkommen, insbesondere Schiefergas, bekannt ist", so Zhang. "Sie befindet sich hauptsächlich im Appalachenbecken im Osten der Vereinigten Staaten, zu dem auch ein Teil von Virginia gehört. Dieses Projekt bietet die Möglichkeit, zusätzliche Umweltvorteile für diese Region zu erschließen.

"Mein Wissen allein kann dieses Problem nicht lösen, daher ist es für das Projekt von entscheidender Bedeutung, dass wir Mitarbeiter haben, die über branchenrelevantes Wissen verfügen, das einen wesentlichen Einfluss auf das Projekt hat und das Problem lösen kann."

Die potenziellen künftigen Auswirkungen dieses Projekts sind beträchtlich, und die Integration dieser Forschung in die gängige Praxis könnte den Nutzen der Schiefergasförderung erheblich steigern. Schiefergasunternehmen betreiben mehrere Produktionsstätten und sind oft auf zentrale Wasseranlagen angewiesen, um das Wasser zu sammeln und auf die verschiedenen Standorte zu verteilen. Die Technologie von Zhang und seinem Team kann in diese Anlagen integriert werden, um diesen Prozess zu optimieren.

Das aufbereitete Produktionswasser könnte in Zukunft auch als Bewässerungswasser verwendet werden und so die Landwirtschaft in der Region unterstützen.

"Unsere Technologie erleichtert nicht nur die Gewinnung wertvoller Mineralien wie Lithium, sondern sorgt auch dafür, dass das Wasser für die Schiefergasförderung geeignet bleibt", so Zhang. "Wir können auch den Salzgehalt des Wassers reduzieren und so sauberes Wasser für die Landwirtschaft in Gebieten mit geringer Wasserversorgung bereitstellen."

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