Arricchimento del litio dalle acque di miniera usando la desalinizzazione basata su idrati di CO2

Trasformare le acque reflue in una fonte di metallo per batterie

Mentre il mondo corre per costruire più auto elettriche e immagazzinare energia rinnovabile, la domanda di litio — l’ingrediente chiave nella maggior parte delle batterie ricaricabili — è in forte aumento. Allo stesso tempo, le miniere in tutto il globo producono grandi volumi di acque saline di scarto, costose da gestire e potenzialmente dannose per fiumi e laghi vicini. Questo studio esplora un modo per affrontare entrambi i problemi contemporaneamente: usare un processo simile al congelamento guidato da gas per depurare le acque di miniera concentrando le tracce di litio in una forma più semplice da recuperare.

Un nuovo modo per pulire e concentrare

Invece di affidarsi a filtri e membrane convenzionali, i ricercatori hanno fatto leva su un fenomeno insolito: gli idrati gassosi. Si tratta di cristalli simili al ghiaccio che si formano quando molecole di gas, in questo caso anidride carbonica, restano intrappolate in gabbie di molecole d’acqua in condizioni di bassa temperatura e alta pressione. Quando gli idrati si formano a partire da acqua salina, i cristalli che crescono sono per lo più costituiti da acqua pura e tendono a lasciare dietro di sé sali e metalli disciolti nel liquido residuo. Formando e poi fondendo questi cristalli è possibile ottenere acqua più pulita e una salamoia residua più ricca di elementi preziosi come il litio. Il team ha progettato un reattore pressurizzato e agitato per mettere alla prova questo approccio su acque di miniera reali provenienti da un sito canadese.

Aiutanti nascosti già presenti nell’acqua

Uno dei principali ostacoli all’uso degli idrati per il trattamento è che spesso si formano lentamente, rendendo il processo poco efficiente. Tipicamente gli ingegneri aggiungono sostanze chimiche o particelle speciali per accelerare la formazione, ma questi additivi devono poi essere rimossi. In questo lavoro, gli autori hanno scoperto che l’acqua di miniera stessa forniva lo stimolo necessario. Conteneva naturalmente piccole particelle minerali, principalmente silicate e alluminosilicate come cristobalite e albite, in concentrazioni di circa 15 milligrammi per litro. Analisi microscopiche e chimiche accurate hanno mostrato che queste particelle portano una modesta carica superficiale negativa e rimangono ben disperse. In esperimenti in cui alcune di queste particelle sono state filtrate, la comparsa degli idrati è risultata molto più lenta. Quando tutte le particelle native sono rimaste in sospensione, gli idrati si sono formati in pochi minuti, rivelando che i minerali fungono da “semi” integrati che aiutano i cristalli a iniziare e crescere senza promotori chimici aggiunti.

Regolare il movimento e il tempo per migliori prestazioni

Il team ha quindi esplorato come la velocità di agitazione e il tempo di reazione influenzassero sia la depurazione dell’acqua sia la concentrazione di litio. Un’agitazione più veloce scomponeva l’anidride carbonica in bolle più fini e la mescolava più efficacemente con l’acqua. Aumentare la velocità da 200 a 600 giri al minuto ha ridotto il tempo di attesa per la formazione degli idrati da circa otto minuti a quasi zero e ha aumentato la frazione di acqua catturata negli idrati dal 29% al 53%. Contemporaneamente, il litio nella salamoia residua è diventato circa 1,6 volte più concentrato rispetto all’acqua di miniera originale. Estendere il tempo di reazione da 30 a 60 minuti ha ulteriormente migliorato il recupero dell’acqua e l’arricchimento in litio. Oltre un’ora, però, i benefici sono scomparsi: i cristalli diventavano rigidi e più difficili da separare dalla salamoia, e i vantaggi dell’operazione prolungata venivano compensati da problemi pratici di gestione.

Accoppiare stadi per un arricchimento più marcato

Per valutare fino a che punto il metodo potesse spingersi, i ricercatori hanno collegato in sequenza diversi stadi di trattamento. Ogni stadio prendeva l’acqua derivata dagli idrati o la salamoia concentrata del passo precedente e la sottoponeva di nuovo alle stesse condizioni di formazione degli idrati. Dopo tre stadi, la concentrazione di litio nella salamoia è salita da circa 180 milligrammi per litro dell’acqua di partenza a circa 500 milligrammi per litro — abbastanza alta da risultare adatta ai metodi chimici standard di recupero usati in industria. Allo stesso tempo, il flusso di idrati simili al ghiaccio è diventato progressivamente più pulito, con il contenuto salino complessivo dell’acqua trattata che è diminuito di circa l’80% rispetto all’alimentazione iniziale. Ciò suggerisce che, con ulteriore ottimizzazione, il processo potrebbe sia fornire acqua riutilizzabile nelle operazioni minerarie sia creare uno stream ricco di litio per l’estrazione.

Perché questo conta per miniere e batterie

In termini semplici, questo lavoro dimostra che l’acqua di miniera — spesso considerata solo un problema di scarto — può fungere anche da risorsa a basso tenore di litio se trattata in modo intelligente. Utilizzando anidride carbonica per formare e fondere cristalli simili al ghiaccio, il processo concentra il litio e purifica l’acqua senza ricorrere a membrane costose e soggette a intasamento o ad additivi chimici aggiuntivi. La polvere minerale naturalmente presente nell’acqua svolge gran parte del lavoro cinetico, agendo come piccoli impalcature che favoriscono la rapida formazione dei cristalli. Sebbene permangano sfide per la scala industriale e la minimizzazione del consumo energetico, lo studio indica un futuro in cui i siti minerari potrebbero recuperare un prezioso metallo per batterie e riciclare acqua contemporaneamente, contribuendo a una gestione delle risorse e idrica più sostenibile.

Citazione: Khajvand, M., Kolliopoulos, G. Lithium enrichment from mine waters using CO₂ hydrate-based desalination. Sci Rep 16, 13871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43925-7

Parole chiave: recupero del litio, acque di miniera, idrati gassosi, desalinizzazione, materiali per batterie