Teknologi Membran Revolusioner Mengekstrak Lithium dari Air

Laboratorium Nasional Argonne, Lemont, IL, dan Universitas Chicago, IL

Sel berbentuk H untuk mempelajari perilaku transpor membran—separuhnya berisi campuran air garam (cairan biru), separuhnya lagi menunjukkan hasil setelah pemisahan membran (cairan bening). Kiri ke kanan:Seth Darling dan Yining Liu. (Gambar:Laboratorium Nasional Argonne)

Litium, logam paling ringan dalam tabel periodik, memainkan peran penting dalam kehidupan modern. Bobotnya yang rendah dan kepadatan energi yang tinggi membuatnya ideal untuk kendaraan listrik, ponsel, laptop, dan teknologi militer yang setiap onsnya berarti. Seiring meroketnya permintaan litium, kekhawatiran mengenai pasokan dan keandalan pun semakin meningkat.

Untuk membantu memenuhi lonjakan permintaan dan kemungkinan masalah rantai pasokan, para ilmuwan di Laboratorium Nasional Argonne Departemen Energi AS (DOE) telah mengembangkan teknologi membran inovatif yang secara efisien mengekstrak litium dari air. Beberapa anggota tim juga mengadakan penunjukan bersama dengan Pritzker School of Molecular Engineering (PME) di Universitas Chicago.

“Membran baru yang kami kembangkan menawarkan potensi alternatif berbiaya rendah dan berlimpah untuk ekstraksi litium di dalam negeri,” kata Seth Darling, Chief Science and Technology Officer di direktorat Teknologi Energi Lanjutan Argonne. Ia juga merupakan Direktur Pusat Penelitian Frontier Energi Advanced Materials for Energy-Water Systems (AMEWS) di Argonne dan Ilmuwan Senior PME.

Saat ini, sebagian besar litium dunia berasal dari penambangan batu keras dan danau garam di beberapa negara saja, sehingga membuat rantai pasokan rentan terhadap gangguan. Namun sebagian besar litium bumi sebenarnya terlarut dalam air laut dan cadangan air garam bawah tanah. Masalahnya? Mengekstraksinya dari sumber-sumber yang tidak konvensional memerlukan biaya yang sangat mahal, boros energi, dan tidak efisien. Metode tradisional kesulitan memisahkan litium dari unsur lain yang lebih melimpah seperti natrium dan magnesium.

Dalam air garam, litium dan unsur lainnya ada sebagai kation. Ini adalah atom yang kehilangan satu atau lebih elektron, sehingga menghasilkan muatan listrik positif. Kunci ekstraksi litium yang efisien terletak pada menyaring kation lain berdasarkan ukuran dan tingkat muatan.

Struktur atom membran vermikulit menunjukkan lapisan 2D yang didukung oleh pilar aluminium oksida. Bola kuning adalah ion natrium yang didoping. (Gambar:Laboratorium Nasional Argonne)

Membran baru ini menawarkan solusi berbiaya rendah yang menjanjikan. Itu terbuat dari vermikulit, tanah liat alami yang melimpah dan harganya hanya sekitar $350 per ton. Tim mengembangkan proses untuk mengupas tanah liat menjadi lapisan yang sangat tipis – tebalnya hanya sepersejuta meter – dan kemudian menyusunnya kembali untuk membentuk semacam filter. Lapisan ini sangat tipis sehingga dianggap 2D.

Namun ada kendala:Jika tidak diolah, lapisan tanah liat akan hancur di dalam air dalam waktu setengah jam karena afinitasnya yang kuat terhadap air.

Untuk mengatasi masalah ini, para peneliti menyisipkan pilar-pilar aluminium oksida mikroskopis di antara lapisan-lapisan tersebut, sehingga memberikan struktur tersebut tampilan seperti tempat parkir bertingkat tinggi yang sedang dibangun – dengan banyak pilar kokoh yang menahan setiap “lantai” pada tempatnya. Arsitektur ini mencegah keruntuhan sekaligus menetralkan muatan permukaan negatif membran, yang merupakan langkah penting untuk modifikasi selanjutnya.

Selanjutnya, kation natrium dimasukkan ke dalam membran, di mana mereka menetap di sekitar pilar aluminium oksida. Hal ini mengubah muatan permukaan membran dari netral menjadi positif. Di dalam air, ion magnesium dan litium membawa muatan positif, namun ion magnesium membawa muatan lebih tinggi (+2) dibandingkan dengan litium (+1). Permukaan membran yang bermuatan positif menolak ion magnesium yang bermuatan lebih tinggi dengan lebih kuat dibandingkan ion litium. Perbedaan ini memungkinkan membran menangkap ion litium dengan lebih mudah sekaligus mencegah ion magnesium keluar.

Untuk lebih menyempurnakan kinerja, tim menambahkan lebih banyak ion natrium. Hal ini menurunkan ukuran pori membran. Hasilnya adalah membran memungkinkan ion yang lebih kecil seperti natrium dan kalium melewatinya sambil menangkap ion litium yang lebih besar.

“Menyaring berdasarkan ukuran ion dan muatannya, membran kami dapat menarik litium keluar dari air dengan efisiensi yang jauh lebih besar,” kata penulis pertama Yining Liu, seorang Ph.D. kandidat di UChicago dan anggota tim AMEWS. “Membran seperti itu dapat mengurangi ketergantungan kita pada pemasok asing dan membuka pintu bagi cadangan litium baru di tempat-tempat yang tidak pernah kita pertimbangkan.”

Para peneliti yakin terobosan ini dapat diterapkan secara lebih luas, mulai dari pemulihan material penting lainnya seperti nikel, kobalt, dan unsur tanah jarang, hingga menghilangkan kontaminan berbahaya dari pasokan air.

“Bahan tanah liat ini ada banyak jenisnya,” kata Liu. “Kami sedang menjajaki bagaimana hal ini dapat membantu mengumpulkan unsur-unsur penting dari air laut dan air asin di danau atau bahkan membantu membersihkan air minum kita.”

Untuk informasi lebih lanjut, hubungi Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya. atau Seth Darling di Alamat email ini dilindungi dari robot spam. Anda perlu mengaktifkan JavaScript untuk melihatnya..