Une idée intelligente d'utiliser des nanoparticules magnétiques pour capturer des matériaux précieux à partir de saumures s'est développée dans des projets pilotes à l'échelle industrielle qui pourraient aider à faire des États-Unis un producteur de minéraux essentiels utilisés dans l'électronique et la production d'énergie. Aujourd'hui, la plupart de ces minéraux sont obtenus de sources internationales, dont beaucoup sont des régions à haut conflit.

La technologie en instance de brevet, développé au Pacific Northwest National Laboratory du département de l'Énergie des États-Unis, a été licencié exclusivement par Moselle Technologies, une entreprise en démarrage qui pilote la technologie dans plusieurs sites américains et internationaux.

Ensemble, Le PNNL et la Moselle ont concouru avec succès pour le financement du développement technologique, dont deux prix de recherche et développement coopératifs et un prix 2021 du DOE Advanced Manufacturing Office, faire progresser le processus de capture d'éléments stratégiquement importants à partir de sources d'eau.

La nanoparticule centrale est constituée d'une forme d'oxyde de fer mieux connue sous le nom de magnétite. Cette particule centrale est utilisée pour ancrer l'enveloppe adsorbante qui lie sélectivement les composés d'intérêt. C'est la clé de la technologie brevetée. Les nanoparticules peuvent être introduites dans des saumures issues de centrales géothermiques, eau produite, effluents miniers miniers, et l'eau de mer, où ils s'accrochent à des composés cibles flottants. Lorsqu'il est exposé à un aimant, le noyau de fer de la nanoparticule se comporte comme la limaille de fer dans l'expérience scientifique classique :ils migrent vers l'aimant, ainsi que le matériel critique auquel ils sont liés, et peut être filtré de la saumure. La technologie est en cours d'adaptation pour la capture du lithium, un métal léger polyvalent peut-être mieux connu pour ses rôles dans la technologie des batteries.

« Approches actuelles pour l'extraction du lithium à partir de l'eau, par exemple, nécessitent une étape de traitement qui pompe de grands volumes d'eau, des milliers de gallons par minute, grâce à un système de filtration par échange d'ions, ce qui le rend à la fois énergivore et coûteux, " a déclaré Pete McGrail, Fellow du laboratoire PNNL et expert reconnu sur la technologie de récupération des métaux des terres rares. "Notre processus de nanotechnologie nous permet de tout miniaturiser et supprime le besoin de séparateurs massifs d'échange d'ions requis dans d'autres processus. C'est assez simple. En quelques minutes, pratiquement tout le lithium a été extrait de la solution par des collisions moléculaires avec notre sorbant et peut ensuite être retiré avec un aimant où il est facilement collecté et purifié."

"Les gens ont perdu beaucoup d'argent en essayant de récolter du lithium, " a déclaré Jerry Mills, PDG de Moselle Technologies. " Nous avons besoin d'une autre façon de procéder. Nous recherchions la technologie la moins chère pour produire des éléments des terres rares et des éléments stratégiquement importants comme le lithium. Pour beaucoup d'entre eux, les États-Unis ont peu ou pas de production. Nous allons faire de notre mieux pour résoudre ce problème. Nous pensons que cette technologie nous permettra de surmonter l'obstacle des coûts."

Approvisionnement en minéraux essentiels à la maison

Lithium, nickel, le cobalt et les terres rares sont très demandés par les fabricants de semi-conducteurs et d'éoliennes, ainsi que les batteries utilisées dans les véhicules électriques et dans d'autres technologies énergétiques vertes. Mais actuellement, la chaîne d'approvisionnement mondiale de ces éléments repose fortement sur des procédés d'extraction datés et énergivores, consomme beaucoup d'eau, et créer des déchets toxiques. Les importations représentent 100 pour cent de l'approvisionnement américain pour 14 des 35 matériaux critiques et plus de la moitié des 17 autres, selon le ministère de l'Énergie, qui a fait de l'approvisionnement intérieur une priorité absolue. Cette technologie PNNL, en laboratoire de développement depuis plusieurs années, est maintenant prêt pour les essais sur le terrain.

Lancement de projets pilotes au printemps 2021

L'un des projets pilotes prévus combine les ressources de l'industrie pétrolière et gazière avec la technologie du PNNL.

« Les saumures de pétrole et de gaz sont une ressource nationale inexploitée de lithium, " dit McGrail.

L'extraction de pétrole et de gaz aux États-Unis et au Canada pompe l'eau souterraine vers la surface dans le cadre du processus d'extraction. Le lithium est présent dans une grande partie de cette eau, sur un large éventail d'emplacements. Les scientifiques du PNNL estiment que si seulement 25 pour cent du lithium dans l'eau produit par l'extraction de pétrole et de gaz était collecté, elle équivaudrait à la production mondiale annuelle actuelle. Pour explorer cette possibilité, PNNL, Moselle Technologies, Canada Natural Resources Limited et Conoco Phillips Corporation effectueront un essai prolongé à Richland de PNNL, Lavage., Campus. Là, l'équipe testera la technologie en la soumettant à des tests à cycle prolongé avec le système de séparateur magnétique, une étape nécessaire pour la production industrielle à grande échelle.

"En utilisant les nanoparticules magnétiques pour se fixer aux particules de lithium en solution, nous nous attendons à ce que le concentré résultant soit sous une forme plus pure, réduisant ainsi le coût du traitement ultérieur, " a déclaré Mills. " Et cela coûtera plus de la moitié du coût. "

Un deuxième projet, qui a été annoncé en janvier après un processus de candidature compétitif, sera financé par un prix DOE Advanced Manufacturing Office FY20. Dans ce projet, les sociétés Enerplus Corporation, Corporation Lithium des Prairies, Enertopia Corporation et Dajin Lithium Corporation étudieront la technologie pour une application potentielle dans les mines de lithium au Nevada et au Canada. Les travaux ont été approuvés et débuteront au printemps 2021.

Plus que du lithium

Le propre, une technologie non polluante pourrait également être utilisée pour la récupération d'autres matières critiques. Un troisième projet de recherche coopérative explorera cette possibilité.

« Nous avons développé des matériaux absorbants spécifiques à de nombreux éléments, " dit McGrail. " Dans ce projet, nous travaillerons avec la société géothermique néo-zélandaise Geo40, qui a identifié le césium présent dans ses saumures. Dans ce projet, l'équipe étendra les travaux de récupération du lithium à de nouveaux sorbants hautement sélectifs pour le césium. En cas de succès, le groupe souhaite construire une usine pilote en Nouvelle-Zélande.