En smart idé att använda magnetiska nanopartiklar för att fånga upp värdefulla material från saltlösningar har utvecklats till pilotprojekt i industriell skala som kan bidra till att göra USA till en producent av kritiska mineraler som används i elektronik och energiproduktion. I dag, de flesta av dessa mineraler kommer från internationella källor, varav många är högkonfliktområden.

Den patentsökta teknologin, utvecklad vid det amerikanska energidepartementets Pacific Northwest National Laboratory, har licensierats exklusivt av Moselle Technologies, ett nystartat företag som testar tekniken på flera amerikanska och internationella platser.

Tillsammans, PNNL och Moselle har framgångsrikt tävlat om finansiering av teknikutveckling, inklusive två Cooperative Research and Development Awards och en 2021 DOE Advanced Manufacturing Office-pris, att främja processen för att fånga upp strategiskt viktiga element från vattenkällor.

Kärnananopartikeln består av en form av järnoxid mer känd som magnetit. Denna kärnpartikel används för att förankra det adsorberande skalet som selektivt binder föreningarna av intresse. Det är nyckeln till den patenterade tekniken. Nanopartiklarna kan föras in i saltlösningar från geotermiska anläggningar, producerat vatten, avloppsvatten från mineralgruvor, och havsvatten, där de låser sig på fritt flytande målföreningar. När den utsätts för en magnet, nanopartikelns järnkärna beter sig som järnspån gör i det klassiska vetenskapsexperimentet – de migrerar mot magneten, tillsammans med det kritiska material som de är bundna till, och kan filtreras från saltlaken. Tekniken anpassas för infångning av litium, en mångsidig lättviktsmetall kanske mest känd för sina roller inom batteriteknik.

"Nuvarande tillvägagångssätt för litiumextraktion från vatten, till exempel, kräver ett bearbetningssteg som pumpar stora volymer vatten, tusentals liter i minuten, genom ett jonbytesfiltreringssystem, gör det både energikrävande och dyrt, sa Pete McGrail, PNNL laboratoriestipendiat och erkänd expert på teknik för återvinning av sällsynta jordartsmetaller. "Vår nanoteknologiska process tillåter oss att miniatyrisera allt och tar bort behovet av massiva jonbytesseparatorer som krävs i andra processer. Det är ganska enkelt. Inom några minuter, praktiskt taget allt litium har dragits ur lösningen genom molekylära kollisioner med vår sorbent och kan sedan avlägsnas med en magnet där det lätt samlas upp och renas."

"Människor har förlorat mycket pengar på att försöka skörda litium, " sa Moselle Technologies VD Jerry Mills. "Vi behöver ett annat sätt att göra det på. Vi hade letat efter den billigaste tekniken för att producera sällsynta jordartsmetaller och strategiskt viktiga element som litium. För många av dessa, USA har liten eller ingen produktion. Vi kommer att göra vårt bästa för att lösa det problemet. Vi tror att den här tekniken kommer att ta oss över kostnadshinderet."

Skaffa viktiga mineraler hemma

Litium, nickel, kobolt och sällsynta jordartsmetaller är efterfrågade av tillverkare av halvledare och vindturbiner, samt batterier som används i elfordon och i andra gröna energitekniker. Men för närvarande, den globala leveranskedjan för dessa element är starkt beroende av föråldrade utvinningsprocesser som är energikrävande, konsumerar mycket vatten, och skapar giftigt avfall. Importen står för 100 procent av USA:s utbud för 14 av 35 kritiska material och mer än hälften av 17 andra, enligt energidepartementet, vilket har gjort det inhemska utbudet till en högsta prioritet. Denna PNNL-teknik, i laboratorieutveckling i flera år, är nu redo för fälttestning.

Pilotprojekt lanseras våren 2021

Ett av de planerade pilotprojekten kombinerar olje- och gasindustrins resurser med PNNL:s teknologi.

"Olje- och gassaltlösningar är en outnyttjad inhemsk resurs av litium, sa McGrail.

Olje- och gasutvinning över USA och Kanada pumpar vatten under ytan till ytan som en del av utvinningsprocessen. Litium finns i mycket av detta vatten, över ett brett spektrum av platser. PNNL-forskare uppskattar att om bara 25 procent av litiumet i vattnet som produceras genom olje- och gasutvinning samlades in, det skulle vara lika med nuvarande årliga världsomspännande produktion. För att utforska denna möjlighet, PNNL, Moselle Technologies, Canada Natural Resources Limited och Conoco Phillips Corporation kommer att genomföra ett långvarigt test på PNNL:s Richland, Tvätta., campus. Där, Teamet kommer att stresstesta tekniken genom att utsätta den för utökad cykeltestning med det magnetiska separatorsystemet, ett nödvändigt steg för fullskalig industriell produktion.

"Genom att använda de magnetiska nanopartiklarna för att fästa till litiumpartiklarna i lösning, vi förväntar oss att det resulterande koncentratet är i en renare form, därigenom minska kostnaderna för vidare bearbetning, sade Mills. Och det här kommer att ta ut mer än halva kostnaden.

Ett andra projekt, som tillkännagavs i januari efter en konkurrenskraftig ansökningsprocess, kommer att finansieras genom ett DOE Advanced Manufacturing Office FY20-pris. I detta projekt, företagen Enerplus Corporation, Prairie Lithium Corporation, Enertopia Corporation och Dajin Lithium Corporation kommer att undersöka tekniken för potentiell tillämpning vid litiumgruvor i Nevada och Kanada. Arbetet har godkänts och kommer att påbörjas våren 2021.

Mer än litium

Det rena, icke-förorenande teknik kan också användas för återvinning av andra kritiska material. Ett tredje kooperativt forskningsprojekt kommer att undersöka den möjligheten.

"Vi har utvecklat absorberande material som är specifika för många element, " säger McGrail. "I det här projektet, vi kommer att arbeta med det Nya Zeeland-baserade geotermiska företaget Geo40, som har identifierat cesium i sina saltlösningar. I detta projekt, teamet kommer att utöka arbetet med att återvinna litium till nya sorbenter som är mycket selektiva för cesium. Om det lyckas, koncernen skulle vilja bygga en pilotanläggning i Nya Zeeland.