O steel leve de lítio é um mineral crítico pesado, servindo como o ingrediente-chave nas baterias recarregáveis que alimentam telefones, laptops, veículos elétricos e muito mais. Tão onipresente quanto o lítio está na tecnologia moderna, extrair o steel é complexo e caro. Um novo método, desenvolvido por pesquisadores da Penn State e recentemente concedido direitos de patente, permite a extração de lítio de alta eficiência-em minutos, não horas-usando baixas temperaturas e lixiviação simples à base de água.
“O lítio alimenta as tecnologias que definem nossas vidas modernas – de smartphones a veículos elétricos – e possui aplicações em armazenamento de energia da grade, cerâmica, vidro, lubrificantes e até tecnologias médicas e nucleares”, disse Mohammad Rezaee, professor de desenvolvimento de carreira em centenário em engenharia de mineração da Penn State, que levou a equipe que publicou sua abordagem, sua abordagem, que publicou a sua abordagem, a sua abordagem, que publicou a sua abordagem, o mecanismo de desenvolvimento de negócios da Centennial Profession em Mineering em Engenharia de Mineração. “Mas sua extração também deve ser ambientalmente responsável. Nossa pesquisa mostra que podemos extrair lítio e outros minerais críticos, com mais eficiência, reduzindo drasticamente o uso de energia, emissões de gases de efeito estufa e resíduos difíceis de gerenciar ou descartar”.
Austrália, Chile e China lideram o mundo em suprimentos de lítio, exportando para países competindo em tecnologias cada vez mais avançadas que dependem do mineral. O Chile e a Argentina são responsáveis por 97% das exportações de lítio para os Estados Unidos, que importam mais do que o dobro do que pode extrair dos recursos domésticos, apesar da habitação de milhões de toneladas métricas de depósitos de lítio. A questão é o tempo, o custo financeiro e o impacto ambiental da extração de lítio das rochas onde ocorre naturalmente, segundo Rezaee.
Rezaee e seus membros do grupo de pesquisa, Chandima Hevapathiranage e Shihua Han, que buscam doutorado em energia e engenharia mineral, com a opção de engenharia de processos minerais e minerais, na Penn State, tem uma solução. Com muito menos consumo de energia e menos produtos químicos severos do que os métodos tradicionais, sua abordagem livre de ácido pode extrair mais de 99% do lítio disponível de uma rocha em minutos, em comparação com as horas de extração convencional que produzem aproximadamente 96% do lítio disponível.
“O que torna essa abordagem especialmente promissora é sua compatibilidade com a infraestrutura industrial existente”, disse Rezaee, explicando que o novo processo foi projetado com escalabilidade e praticidade em mente, e não requer calor extremo ou o uso de ácidos. “Ele usa materiais comuns como hidróxido de sódio – um composto comum usado na fabricação de sabão e encontrado em muitos produtos de limpeza domésticos – e água, e opera em temperaturas muito mais baixas do que as técnicas tradicionais. Isso não é apenas mais limpo e mais rápido, mas mais fácil de implementar em escala”.
A extração convencional de lítio envolve os minérios de rochas que desistiram do steel ou das lagoas de evaporação da salmoura rica em lítio. A evaporação requer quantidades significativas de água e leva muito tempo para atender às demandas do setor. A extração diretamente de lítio das rochas mineradas é mais rápida que a evaporação da salmoura, mas envolve aquecer os minerais a temperaturas incrivelmente altas de 1.110 graus Celsius – 2.300 graus Fahrenheit – e manter a temperatura por duas horas. Isso faz do mineral de lítio poroso e prepara o lítio para se separar da rocha. Na próxima etapa, o mineral poroso é tratado com ácido sulfúrico e aquecido a 482 graus Fahrenheit por duas horas. Conhecida como assassinato de ácido sulfúrico, essa etapa acaba dissolve grande parte do lítio. A solução de lítio ácida resultante é então tratada para neutralizar o ácido e purificar o steel.
“Cada etapa do método convencional, especialmente o tratamento de alta temperatura, emite uma quantidade substancial de dióxido de carbono”, disse Rezaee, explicando que o ácido sulfúrico também representa preocupações ambientais e deixa subprodutos perigosos. “O processo requer investimento significativo do equipamento e tem desafios para o controle de temperatura e a recuperação de energia. As impurezas levam à perda de lítio, e a solução ácida de lítio requer um consumo químico significativo para se tornar básico para a extração remaining”.
Quando Rezaee e sua equipe consideraram melhorar esse processo, eles perceberam que poderiam eliminar a necessidade de transformação de fase – o aquecimento extremo e o cozimento de ácido sulfúrico que afrouxa os íons de lítio do mineral.
“Usamos modelagem termodinâmica para entender como os minerais portadores de lítio podem interagir com diferentes agentes químicos e, em seguida, validamos essas previsões por meio de experimentos de laboratório”, disse Rezaee. “Descobrimos que misturar o mineral contendo lítio, chamado spodumeno, com hidróxido de sódio, a temperaturas relativamente baixas converte o mineral em fases solúveis em água portadoras de lítio”.
Eles também investigaram o uso de aquecimento por microondas para essa reação de baixa temperatura – semelhante ao aquecimento de alimentos em um microondas em vez de um forno – para reduzir o tempo de processamento para apenas alguns minutos.
Essa reação produz silicato de sódio de lítio, um composto que se dissolve prontamente em água de temperatura ambiente. Quando a água é adicionada, o lítio lixivia em cerca de um minuto. Como a solução resultante já é básica, o que significa não-acídio, também elimina a necessidade das adições de produtos químicos que a extração convencional de lítio requer muda de ácido para básico. Os pesquisadores podem adicionar imediatamente um composto que solidifica o lítio para que possa ser facilmente coletado.
De acordo com Rezaee, o processo também pode funcionar para extrair lítio e outros dois minerais críticos – rubídio e césio, que são usados em eletrônicos, computação quântica, painéis solares, relógios atômicos, sistemas de navegação por satélite, baterias e até como um propulsor de foguete – de lepidolita, outro balanço. Também pode extrair lítio de fontes de argila. A equipe agora está trabalhando para aumentar sua abordagem e refinar o processo de aplicação industrial.
O Penn State School of Earth and Mineral Sciences apoiou esse trabalho através do Prêmio de Pesquisa George H. Deike, Jr.
