혁신적인 멤브레인 기술로 물에서 리튬 추출

아르곤 국립 연구소(일리노이주 레몬트 및 일리노이주 시카고 대학교)

막 수송 거동을 연구하기 위한 H형 셀 - 절반에는 소금물 혼합물(파란색 액체)이 있고 다른 하나에는 막 분리 후 결과(투명 액체)가 표시됩니다. 왼쪽에서 오른쪽으로:Seth Darling과 Yining Liu. (이미지 :아르곤 국립 연구소)

주기율표에서 가장 가벼운 금속인 리튬은 현대 생활에서 중추적인 역할을 하고 있습니다. 가벼운 무게와 높은 에너지 밀도 덕분에 전기 자동차, 휴대폰, 노트북 및 모든 온스가 중요한 군사 기술에 이상적입니다. 리튬 수요가 급증하면서 공급과 신뢰성에 대한 우려도 커지고 있습니다.

급증하는 수요와 공급망 문제를 해결하기 위해 미국 에너지부(DOE) 아르곤 국립 연구소의 과학자들은 물에서 리튬을 효율적으로 추출하는 혁신적인 멤브레인 기술을 개발했습니다. 몇몇 팀 구성원은 시카고 대학의 프리츠커 분자 공학 대학(PME)과 공동 임명을 갖고 있습니다.

Argonne의 Advanced Energy Technologies 부서의 최고 과학 및 기술 책임자인 Seth Darling은 "우리가 개발한 새로운 멤브레인은 여기 집에서 리튬을 추출할 수 있는 잠재적인 저렴하고 풍부한 대안을 제공합니다."라고 말했습니다. 그는 또한 Argonne의 AMEWS(Advanced Materials for Energy-Water Systems) 에너지 프론티어 연구 센터 소장이자 PME 수석 과학자이기도 합니다.

현재 전 세계 리튬의 대부분은 소수 국가의 암석 채굴과 염호에서 생산되므로 공급망이 중단될 위험이 있습니다. 그러나 지구 리튬의 대부분은 실제로 바닷물과 지하 소금물 매장량에 용해되어 있습니다. 문제? 이러한 비전통적인 소스에서 이를 추출하는 것은 엄청나게 비용이 많이 들고, 에너지를 많이 소모하며 비효율적이었습니다. 전통적인 방법은 나트륨, 마그네슘과 같은 더 풍부한 다른 원소로부터 리튬을 분리하는 데 어려움을 겪고 있습니다.

바닷물에서는 리튬과 기타 원소가 양이온으로 존재합니다. 이들은 하나 이상의 전자를 잃어 양전하를 띠는 원자입니다. 효율적인 리튬 추출의 핵심은 크기와 전하 정도에 따라 다른 양이온을 필터링하는 것입니다.

산화알루미늄 기둥으로 지지되는 2D 층을 보여주는 질석 막의 원자 구조. 노란색 공은 나트륨 이온이 도핑된 것입니다. (이미지 :아르곤 국립 연구소)

새로운 멤브레인은 유망한 저비용 솔루션을 제공합니다. 그것은 톤당 약 $350에 불과한 자연적으로 풍부한 점토인 질석으로 만들어졌습니다. 연구팀은 점토를 10억분의 1미터 두께의 매우 얇은 층으로 벗겨낸 다음 다시 쌓아 일종의 필터를 형성하는 공정을 개발했습니다. 이 레이어는 너무 얇아서 2D로 간주됩니다.

그러나 문제가 있었습니다. 처리되지 않은 점토층은 강한 친화력으로 인해 물 속에서 30분 이내에 분해됩니다.

이 문제를 해결하기 위해 연구원들은 층 사이에 미세한 산화알루미늄 기둥을 삽입하여 구조가 건설 중인 고층 주차장처럼 보이도록 했습니다. 많은 단단한 기둥이 각 "바닥"을 제자리에 고정하고 있습니다. 이 구조는 멤브레인의 음전하를 중화하는 동시에 붕괴를 방지하며, 이는 이후 수정을 위한 중요한 단계입니다.

다음으로, 나트륨 양이온이 막에 도입되어 산화알루미늄 기둥 주위에 침전되었습니다. 이로 인해 멤브레인의 표면 전하가 중성에서 양전하로 변경되었습니다. 물에서는 마그네슘 이온과 리튬 이온 모두 양전하를 띠지만 마그네슘 이온은 리튬(+1)에 비해 더 높은 전하(+2)를 띠고 있습니다. 멤브레인의 양전하를 띤 표면은 리튬 이온보다 더 강하게 전하된 마그네슘 이온을 더 강력하게 밀어냅니다. 이러한 차이로 인해 멤브레인은 마그네슘 이온을 차단하면서 리튬 이온을 더 쉽게 포착할 수 있습니다.

성능을 더욱 개선하기 위해 팀은 더 많은 나트륨 이온을 추가했습니다. 이로 인해 막의 기공 크기가 감소했습니다. 그 결과 멤브레인은 더 큰 리튬 이온을 포착하면서 나트륨 및 칼륨과 같은 작은 이온은 통과할 수 있게 해줍니다.

“이온 크기와 전하를 기준으로 필터링하면 우리의 막은 훨씬 더 효율적으로 물에서 리튬을 끌어낼 수 있습니다.”라고 제1저자인 Yining Liu 박사가 말했습니다. UChicago의 후보자이자 AMEWS 팀의 구성원입니다. "이러한 멤브레인은 외국 공급업체에 대한 의존도를 줄이고 우리가 고려하지 않은 곳에서 새로운 리튬 매장량의 문을 열어줄 수 있습니다."

연구원들은 이 획기적인 기술이 니켈, 코발트, 희토류 원소와 같은 다른 핵심 물질을 회수하는 것부터 상수도에서 유해한 오염물질을 제거하는 것까지 더 폭넓게 응용될 수 있다고 믿습니다.

Liu는 “이 점토 재료에는 다양한 유형이 있습니다.”라고 말했습니다. "우리는 바닷물과 염호 염수에서 중요한 요소를 수집하거나 식수를 정화하는 데 어떻게 도움이 될 수 있는지 조사하고 있습니다."

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