Forskare kan isolera magnesiumråvaror från havet, viktigt för förnybar energitillämpningar. Kredit:Sammansatt bild av Cortland Johnson, Pacific Northwest National Laboratory
Sedan urminnes tider har människor utvunnit salter, som bordssalt, från havet. Medan bordssalt är det enklaste att få tag på, är havsvatten en rik källa till olika mineraler, och forskare undersöker vilka de kan dra från havet. Ett sådant mineral, magnesium, finns rikligt i havet och blir allt mer användbart på land.
Magnesium har framväxande hållbarhetsrelaterade tillämpningar, inklusive i kolavskiljning, lågkolhaltig cement och potentiella nästa generations batterier. Dessa applikationer ger förnyad uppmärksamhet till inhemsk magnesiumproduktion. För närvarande utvinns magnesium i USA genom en energikrävande process från saltlake, av vilka en del är i fara på grund av torka. Department of Energy inkluderade magnesium på sin nyligen släppta lista över kritiska material för inhemsk produktion.
En artikel publicerad i Environmental Science &Technology Letters visar hur forskare vid Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) och University of Washington (UW) har hittat ett enkelt sätt att isolera ett rent magnesiumsalt, ett råmaterial för magnesiummetall, från havsvatten. Deras nya metod flyter två lösningar sida vid sida i en lång ström. Processen kallas för laminar coflow-metoden och utnyttjar det faktum att de flytande lösningarna skapar en ständigt reagerande gräns. Färska lösningar flödar förbi och låter aldrig systemet nå en balans.
Denna metod spelar ett nytt trick med en gammal process. I mitten av 20 e århundradet skapade kemiska företag framgångsrikt magnesiumråvara från havsvatten genom att blanda det med natriumhydroxid, allmänt känd som lut. Det resulterande magnesiumhydroxidsaltet, som ger den antacida mjölken av magnesia dess namn, bearbetades sedan för att göra magnesiummetall. Processen resulterar dock i en komplex blandning av magnesium- och kalciumsalter, som är svåra och kostsamma att separera. Detta senaste arbete producerar rent magnesiumsalt, vilket möjliggör effektivare bearbetning.
"Vanligtvis flyttar människor separationsforskningen framåt genom att utveckla mer komplicerade material", säger PNNL-kemist och UW affiliate professor i materialvetenskap och teknik Chinmayee Subban. "Det här arbetet är så spännande eftersom vi tar ett helt annat tillvägagångssätt. Vi hittade en enkel process som fungerar. När den är skalad kan den här processen hjälpa till att driva på renässansen för amerikansk magnesiumproduktion genom att generera primärt råmaterial. Vi är omgivna av en enorm , blå, outnyttjad resurs."
Havsvatten från PNNL-Sequim campus drev detta forskningsprojekt. Kredit:Andrea Starr, Pacific Northwest National Laboratory
Från Sequim-vatten till fast salt
Subban och teamet testade sin nya metod med havsvatten från PNNL-Sequim campus, vilket gjorde det möjligt för forskarna att dra nytta av PNNL-faciliteter över hela staten Washington.
"Som anställd vid Coastal Sciences ringde jag precis en medlem av vårt Sequim-kemiteam och begärde ett havsvattenprov", säger Subban. "Nästa dag fick vi en kylare levererad till vårt labb i Seattle. Inuti hittade vi kalla förpackningar och en flaska kylt Sequim-havsvatten." Detta arbete representerar det samarbete som kan ske på PNNL:s campus i Richland, Seattle och Sequim.
I metoden laminärt samflöde flödar forskarna havsvatten tillsammans med en lösning med hydroxid. Det magnesiumhaltiga havsvattnet reagerar snabbt och bildar ett lager av fast magnesiumhydroxid. Detta tunna skikt fungerar som en barriär mot lösningsblandning.
"Flödesprocessen ger dramatiskt annorlunda resultat än enkel lösningsblandning", säger PNNL postdoktorala forskare Qingpu Wang. "Den initiala fasta magnesiumhydroxidbarriären förhindrar kalcium från att interagera med hydroxiden. Vi kan selektivt producera ren fast magnesiumhydroxid utan att behöva ytterligare reningssteg."
Selektiviteten i denna process gör den särskilt kraftfull. Genom att generera ren magnesiumhydroxid, utan någon kalciumkontamination, kan forskare hoppa över energikrävande och dyra reningssteg.
Flödesanordningen i laboratorieskala för att extrahera magnesiumsalt. Kredit:Qingpu Wang, Pacific Northwest National Laboratory
Hållbarhet för framtiden
Den nya och skonsamma processen har potential att bli mycket hållbar. Till exempel kan natriumhydroxiden som används för att extrahera magnesiumsaltet genereras på plats med hjälp av havsvatten och marin förnybar energi. Att ta bort magnesium är en nödvändig förbehandling för avsaltning av havsvatten. Att koppla den nya processen med befintlig teknik kan göra det enklare och billigare att förvandla havsvatten till sötvatten.
Teamet är särskilt spända på processens framtid. Deras arbete är den första demonstrationen av den laminära samflödesmetoden för selektiva separationer. Detta nya tillvägagångssätt har många ytterligare potentiella tillämpningar, men mer arbete måste göras för att förstå den underliggande kemin i processen. Kunskapsklyftan erbjuder nya möjligheter och forskningsriktningar för att driva den blå ekonomin.
"Vi vill ta det här arbetet från det empiriska till det förutsägande," sa PNNL-materialforskaren Elias Nakouzi. "Det finns en spännande möjlighet att utveckla en grundläggande förståelse för hur denna process fungerar samtidigt som den tillämpas på viktiga problem som att skapa nya energimaterial och uppnå selektiv separation av svårseparerade joner för vattenrening och resursåtervinning." + Utforska vidare
