Wissenschaftler bauen auf „magische“ Weise Metalle aus Wasser ab

Von Steven Ashby, Pacific Northwest National Laboratory, 6. Mai 2022

Der PNNL-Chemieingenieur Jian Liu beobachtet Laborgeräte, mit denen Seltenerdelemente aus verschiedenen Wasserquellen gewonnen werden. Dieses magnetische Trennschleifensystem arbeitet mit winzigen magnetischen Partikeln zusammen, die dem Wasser zugesetzt werden, wodurch das Element schnell herausgezogen und so einfacher entnommen werden kann. Bildnachweis: Foto von Andrea Starr | Pacific Northwest National Laboratory

Alchemisten versuchten schon vor Jahrhunderten, Blei in Gold umzuwandeln. Obwohl sie nicht erfolgreich waren, bleibt die Idee, wertvolle Ressourcen aus reichlich vorhandenen Quellen zu gewinnen, verlockend.

Wissenschaftler des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) des Energieministeriums arbeiten mit der Industrie zusammen, um eine Methode zu testen, die magnetische Nanopartikel nutzt, um wichtige Mineralien wie Lithium aus verschiedenen Wasserquellen zu extrahieren.

Lithium ist ein wesentlicher Bestandteil vieler Elektronik- und Energietechnologien, einschließlich der leichten Lithium-Ionen-Batterien, die alles von Mobiltelefonen bis hin zu Elektrofahrzeugen antreiben.

Bildnachweis: Video des Pacific Northwest National Laboratory

Der Weltmarkt für Lithium soll bis 2028 ein Volumen von 8,2 Milliarden US-Dollar erreichen, doch in den Vereinigten Staaten wird nur sehr wenig produziert.

Die zum Patent angemeldete Technologie von PNNL bietet den USA nicht nur möglicherweise die Möglichkeit, mehr eigenes Lithium und andere kritische Materialien zu produzieren, sondern bietet auch eine viel schnellere und kostengünstigere Möglichkeit, dies zu tun. PNNL entwickelt magnetische Nanopartikel, die von einer Adsorptionshülle umgeben sind, die sich an Lithium und andere Metalle bindet, die im Wasser verschiedener Industrieprozesse vorkommen.

Zu diesen Quellen könnte das Wasser in Geothermiekraftwerken gehören, sogenannte geothermische Solen, oder Wasser, das bei der Öl- oder Gasförderung aus dem Untergrund entnommen wird. Die Partikel könnten auch in Abwässern von Entsalzungsanlagen oder sogar direkt aus Meerwasser verwendet werden. Sobald die winzigen, eisenbasierten Partikel dem Wasser zugesetzt werden, wird das Lithium aus dem Wasser gezogen und bindet sich an sie. Dann können die Nanopartikel mit Hilfe eines Magneten in nur wenigen Minuten eingesammelt werden, während das Lithium mitfährt, nicht mehr in der Flüssigkeit suspendiert ist und zur einfachen Extraktion bereit ist. Nach der Extraktion des Lithiums können die wieder aufgeladenen Nanopartikel wieder verwendet werden.

Diese Technologie bietet eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Extraktionsmethoden, bei denen Grundwasser in große, kostspielige Verdunstungsbecken gepumpt wird. Diese Prozesse können Monate oder sogar Jahre dauern und sich auf die Grundwasserbewirtschaftung in den Trockengebieten auswirken, in denen sie hauptsächlich eingesetzt werden.

Während der PNNL-Prozess sofort funktioniert, ähneln die heutigen Prozesse ein wenig dem Warten darauf, dass das Wasser aus einem Krug Limonade verdunstet, in der Hoffnung, die pulverförmige Mischung, die sich am Boden absetzt, zurückzugewinnen. Wenn diese Technologie in Geothermieanlagen eingesetzt würde, könnte der Wert des gewonnenen Lithiums möglicherweise die Kosteneffizienz dieser Form erneuerbarer Energie steigern, bei der Wasser verwendet wird, um die Wärme tief unter der Erdoberfläche einzufangen und sie dann in Strom umzuwandeln.

PNNL entwickelt diese Technologie in einer Partnerschaft mit Moselle Technologies weiter, das sie lizenziert hat und plant, sie an mehreren Standorten zu testen.

Diese Bemühungen und die Folgeaktivitäten sind großartige Beispiele dafür, wie die nationalen Laboratorien mit kommerziellen Einrichtungen zusammenarbeiten, um Laborforschung in reale Lösungen umzusetzen.

Forscher am PNNL führen beispielsweise Langzeittests des Magnetabscheidersystems für den möglichen Einsatz bei Öl- und Gasförderungsprozessen durch, was eine zusätzliche Einnahmequelle zum Ausgleich der Produktionskosten schaffen könnte.

Neben Moselle arbeiten sie mit anderen kommerziellen Partnern zusammen, um den Einsatz der Technologie für ihre Lithiumressourcen in Nevada und Kanada zu evaluieren.

Mit Blick auf eine andere Reihe von Anwendungen passen Forscher am PNNL schließlich die Hülle des Nanopartikels an, um gezielt auf andere kommerziell wertvolle, strategisch wichtige Elemente und Mineralien abzuzielen, die in Energietechnologien, medizinischen Bildgebungsgeräten, Elektronik und mehr verwendet werden.

Sie arbeiten beispielsweise mit Moselle und Geo40 zusammen, um die Möglichkeit der Gewinnung von Cäsium und Antimon aus geothermischen Solen in einer Geothermieanlage in Neuseeland zu untersuchen.

Obwohl keine dieser Bemühungen einer Zauberei gleichkommt, könnte man den Alchemisten von einst verzeihen, dass sie dieses Wunder der Chemie mit Magie verwechselten.

Der neuartige Ansatz von PNNL ist wirklich bemerkenswert. Es verspricht eine schnelle und kostengünstige Gewinnung kritischer Mineralien. Und eine Innovation wie diese könnte Gold wert sein.