Обогащение лития из шахтных вод с помощью опреснения на основе CO2-гидратов

Преобразование сточной воды в источник металла для батарей

По мере того как мир ускоряет производство электромобилей и накопителей для возобновляемой энергии, спрос на литий — ключевой компонент большинства перезаряжаемых аккумуляторов — стремительно растёт. Одновременно шахты по всему миру производят огромные объёмы солёной сточной воды, контроль и утилизация которой обходятся дорого и могут вредить рекам и озёрам поблизости. В этом исследовании рассматривается способ одновременно решить обе проблемы: использовать газоподобный, напоминающий замерзание процесс для очистки шахтной воды и концентрирования содержащихся в ней следовых количеств лития в форме, из которой его проще извлечь.

Новый способ очистки и концентрирования

Вместо опоры на традиционные фильтры и мембраны исследователи обратились к необычному явлению: газовым гидратам. Это ледоподобные кристаллы, которые образуются, когда молекулы газа, в данном случае углекислого газа, оказываются заключёнными в клетках, сформированных молекулами воды при низких температурах и повышенном давлении. Когда гидраты формируются из солёной воды, растущие кристаллы в основном состоят из чистой воды и, как правило, оставляют растворённые соли и металлы в оставшейся жидкости. За счёт образования и последующего таяния этих кристаллов можно получить более чистую воду и отработанную рассолоподобную жидкость, обогащённую ценными элементами, такими как литий. Команда разработала перемешиваемый реактор под давлением, чтобы опробовать этот подход на реальной шахтной воде из канадского месторождения.

Уже присутствующие в воде «помощники»

Одной из основных преград для использования гидратов в обработке является то, что они часто образуются медленно, что делает процесс неэффективным. Обычно инженеры добавляют специальные химикаты или частицы для ускорения — но эти добавки затем надо удалять. В этой работе авторы обнаружили, что необходимое ускорение поставлялось самой шахтной водой. Она естественно содержала крошечные минеральные частицы, в основном силикатные и алюмосиликатные зерна, такие как кристобалит и альбит, в концентрации всего около 15 миллиграммов на литр. Тщательный микроскопический и химический анализ показал, что эти частицы имеют умеренно отрицательный поверхностный заряд и хорошо диспергированы. В экспериментах, где часть этих частиц была отфильтрована, образование гидратов занимало гораздо больше времени. Когда же все родные частицы оставались, гидраты формировались в течение нескольких минут, что показало: минералы действуют как встроенные «затравки», помогающие кристаллам инициализироваться и расти без добавления ускоряющих химикатов.

Настройка движения и времени для лучшей производительности

Далее команда изучала, как скорость перемешивания и время реакции влияют на очистку воды и концентрирование лития. Быстрое перемешивание дробило углекислый газ на более мелкие пузырьки и лучше смешивало его с водой. Повышение скорости от 200 до 600 оборотов в минуту сократило время ожидания образования гидратов примерно с восьми минут до практически нуля и увеличило долю воды, захваченной в гидратах, с 29% до 53%. При этом концентрация лития в оставшемся рассоле стала примерно в 1,6 раза выше, чем в исходной шахтной воде. Продление времени реакции с 30 до 60 минут дополнительно улучшало извлечение воды и обогащение лития. Однако свыше часа преимущества исчезали: кристаллы становились жёсткими и труднее отделялись от рассола, а практические проблемы с обработкой нивелировали выгоды более долгой работы.

Многоступенчатая схема для более сильного обогащения

Чтобы понять пределы метода, исследователи соединили несколько стадий обработки последовательно. На каждой стадии вода, полученная из гидратов, либо концентрированный рассол от предыдущего шага подвергались тем же условиям образования гидратов. После трёх стадий концентрация лития в рассоле возросла примерно с 180 миллиграммов на литр в исходной шахтной воде до примерно 500 миллиграммов на литр — достаточно для стандартных промышленных химических методов извлечения. Одновременно поток ледоподобных гидратов становился всё чище: общий солевой состав очищенной воды снижался примерно на 80% по сравнению с исходной подачей. Это указывает на то, что при дальнейшем совершенствовании процесс мог бы одновременно обеспечивать воду для повторного использования в горных работах и создавать поток, обогащённый литием, для его извлечения.

Почему это важно для шахт и аккумуляторов

Проще говоря, эта работа показывает, что шахтная вода, часто воспринимаемая только как проблема отходов, может одновременно выступать как низкосортный ресурс лития при разумной обработке. За счёт использования углекислого газа для формирования и плавления ледоподобных кристаллов процесс концентрирует литий и очищает воду без зависимости от дорогостоящих, склонных к засорению мембран или дополнительных химических добавок. Естественно присутствующая в воде минеральная пыль выполняет большую часть кинетической «тяжёлой работы», действуя как крошечные каркасы, которые помогают гидратам быстро формироваться. Хотя остаются задачи по масштабированию и снижению энергозатрат, исследование указывает на перспективу будущего, в котором горнодобывающие предприятия могли бы одновременно восстанавливать ценный металл для аккумуляторов и перерабатывать воду, способствуя более устойчивому управлению ресурсами и водными ресурсами.

Цитирование: 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

Ключевые слова: извлечение лития, шахтная вода, газовые гидраты, опреснение, материалы для батарей