Lithiumverrijking uit mijnwater met CO2-hydraatgebaseerde ontzilting

Afvalwater omzetten in een bron van batterijmetaal

Naarmate de wereld zich haast om meer elektrische auto’s te bouwen en hernieuwbare energie op te slaan, stijgt de vraag naar lithium—het sleutelbestanddeel in de meeste oplaadbare batterijen—sterk. Tegelijk produceren mijnen wereldwijd enorme hoeveelheden zoutig afvalwater dat duur is om te verwerken en schade kan toebrengen aan nabijgelegen rivieren en meren. Dit onderzoek verkent een manier om beide problemen tegelijk aan te pakken: een gasgestuurde, vriesachtige methode gebruiken om mijnwater te zuiveren terwijl de sporen lithium worden geconcentreerd tot een vorm die veel eenvoudiger terug te winnen is.

Een nieuwe manier om te reinigen en te concentreren

In plaats van te vertrouwen op conventionele filters en membranen, wendden de onderzoekers zich tot een ongewoon verschijnsel: gashydraten. Dit zijn ijsachtige kristallen die ontstaan wanneer gasmoleculen, in dit geval kooldioxide, gevangen raken in kooitjes van watermoleculen onder koele, hogedrukomstandigheden. Wanneer hydraten uit zout water gevormd worden, bestaan de groeiende kristallen grotendeels uit zuiver water en laten ze opgeloste zouten en metalen achter in de achterblijvende vloeistof. Door deze kristallen te vormen en vervolgens te laten smelten, is het mogelijk schoner water te produceren en een resterende pekel te verkrijgen die rijker is aan waardevolle elementen zoals lithium. Het team ontwierp een drukvat met roerwerk om deze aanpak te testen op echt mijnwater van een Canadese locatie.

Verborgen hulpjes die al in het water zitten

Een van de belangrijkste obstakels bij het gebruik van hydraten voor behandeling is dat ze vaak langzaam vormen, wat het proces ondoelmatig maakt. Gewoonlijk voegen ingenieurs speciale chemicaliën of deeltjes toe om dit te versnellen—maar die additieven moeten daarna weer verwijderd worden. In dit werk ontdekten de auteurs dat het mijnwater zelf de benodigde impuls leverde. Het bevatte van nature kleine mineraaldeeltjes, voornamelijk silicaat- en aluminosilicaatkorrels zoals cristobaliet en albiet, in slechts ongeveer 15 milligram per liter. Zorgvuldige microscopische en chemische analyses toonden aan dat deze deeltjes een bescheiden negatieve oppervlaktelading dragen en goed verdeeld blijven. In experimenten waarbij een deel van deze deeltjes werd gefilterd, duurde het aanzienlijk langer voordat hydraten verschenen. Wanneer alle aanwezige deeltjes in het water werden gelaten, vormden hydraten binnen enkele minuten, wat aantoont dat de mineralen als ingebouwde "zaden" fungeren die de kristalvorming op gang helpen zonder toegevoegde promotors.

Beweging en tijd afstemmen voor betere prestaties

Het team onderzocht vervolgens hoe roersnelheid en reactietijd zowel de waterzuivering als de lithiumconcentratie beïnvloedden. Sneller roeren verdeelde de kooldioxide in fijnere belletjes en mengde deze grondiger door het water. Het verhogen van de snelheid van 200 naar 600 omwentelingen per minuut verkortte de wachttijd voor hydratevorming van ongeveer acht minuten naar vrijwel nul en verhoogde het aandeel water dat in hydraten werd vastgelegd van 29% naar 53%. Tegelijkertijd werd lithium in de resterende pekel ongeveer 1,6 keer meer geconcentreerd dan in het oorspronkelijke mijnwater. Het verlengen van de reactietijd van 30 naar 60 minuten verbeterde de waterterugwinning en lithiumverrijking verder. Verder dan een uur verdwenen de voordelen echter: de kristallen werden stijf en moeilijker te scheiden van de pekel, en de baten van langere werking werden tenietgedaan door praktische verwerkingsproblemen.

Fasen stapelen voor sterkere verrijking

Om te onderzoeken hoe ver de methode kon gaan, schakelden de onderzoekers meerdere behandelingsstadia achter elkaar. Elk stadium nam het uit hydraten afkomstige water of de geconcentreerde pekel van de vorige stap en stelde het opnieuw bloot aan dezelfde hydratevormende omstandigheden. Na drie stadia steeg de lithiumconcentratie in de pekel van ongeveer 180 milligram per liter in het beginmijnwater tot ruwweg 500 milligram per liter—hoog genoeg om geschikt te zijn voor standaard chemische terugwinningsmethoden die in de industrie worden gebruikt. Tegelijkertijd werd de ijsachtige hydraatstroom geleidelijk schoner, waarbij het totale zoutgehalte in het behandelde water met ongeveer 80% daalde vergeleken met de oorspronkelijke invoer. Dit suggereert dat, met verdere optimalisatie, het proces zowel water kan leveren voor hergebruik in mijnactiviteiten als een lithiumrijke stroom kan creëren voor extractie.

Waarom dit belangrijk is voor mijnen en batterijen

In eenvoudige bewoordingen laat dit werk zien dat mijnwater—dat vaak alleen als afvalprobleem wordt gezien—ook kan dienen als een laaggradige lithiumbron als het slim wordt behandeld. Door kooldioxide te gebruiken om ijsachtige kristallen te vormen en te smelten, concentreert het proces lithium en reinigt het water zonder te vertrouwen op dure, snel verstopte membranen of extra chemische additieven. Het van nature aanwezige mineraalstof in het water doet het grootste deel van het kinetische "zware werk" en fungeert als kleine steigers die de kristalvorming versnellen. Hoewel er uitdagingen blijven voor opschaling en het minimaliseren van energiegebruik, wijst de studie op een toekomst waarin mijnlocaties tegelijkertijd een waardevol batterijmetaal kunnen terugwinnen en water kunnen recyclen, wat bijdraagt aan een duurzamer beheer van grondstoffen en water.

Bronvermelding: 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

Trefwoorden: lithiumwinning, mijnwater, gashydraten, ontzilting, batterijmaterialen