Адсорбция PFAS гранулированным активированным углем позволяет извлекать литий из рассолов
2026-02-20
Перфторированные и полифторированные алкильные вещества (PFAS) в основном считаются загрязнителями окружающей среды, и большинство исследований сосредоточено на их удалении из окружающей среды. Однако исследователь из Университета Райса Джеймс Тур предлагает иной подход. Его команда под руководством постдокторанта и младшего научного сотрудника Райс-Института И Чэна разработала процесс извлечения лития из высокосоленых соляных бассейнов с использованием PFAS. Результаты этого исследования недавно были опубликованы в журнале «Nature Water».
«Извлечение лития из соленой воды наносит меньший ущерб окружающей среде, чем традиционная добыча, но по-прежнему сталкивается с проблемами, такими как селективность, стоимость и потребление воды», — говорит Чэн, первый автор исследования. «Мы увидели возможность использовать фтор, заключенный в PFAS, для извлечения лития с помощью быстрого и маловредного процесса».
Данный метод не зависит от содержания ПФАС в окружающей среде, а основан на удалении ПФАС из образцов пожарной пены, собранных на месте происшествия, с помощью гранулированного активированного угля (ГАУ), который способен поглощать и удерживать ПФАС, содержащиеся в пене. Хотя это эффективный способ удаления ПФАС, использование ГАУ, содержащего ПФАС, приводит к образованию нового потока отходов.
Команда Лейса не рассматривала эти отходы как конечный продукт, а использовала их в качестве исходного материала. Исследователи добавили отработанный GAC, содержащий PFAS, в солевой раствор с высоким содержанием различных солей. Каждая соль представляет собой соединение положительно заряженного катиона (например, лития или кальция) с отрицательно заряженным анионом (например, хлора или фтора).
«Дело в том, — пояснил Чэн, — что в солевом растворе содержится ценный катион лития. Используемый углерод содержит фтор — анион, который заперт в молекулах ПФАС. Мы хотим высвободить фтор и соединить его с высвободившимся литием, чтобы получить соль — литийфторид».
Для этого исследователи подвергли смесь электротермическому нагреву, быстро нагрев её до температуры свыше 1000 градусов по Цельсию, а затем быстро охладив. Эти экстремальные и кратковременные условия позволили фтору в ПФАС разорвать связи и вступить в реакцию с металлическими катионами (такими как литий) в солевом растворе. Теперь солевая смесь содержит различные соли — в том числе фторид лития, фторид кальция и фторид магния — а также нетоксичные отходы, полученные из GAC, содержащего PFAS, при этом нефтеводяная смесь лишилась фтора.
В ходе промывки удаляются непрореагировавшие примеси, такие как соли, например хлорид натрия и хлорид калия. Чтобы отделить фторид лития от других фтористых солей, исследователи воспользовались тем, что температура кипения фторида лития составляет 1676 градусов по Цельсию, которую можно легко достичь с помощью той же электротермической установки. При нагревании смеси в контролируемых электротермических условиях до температуры от 1676 до 2260 градусов по Цельсию фторид лития дистиллируется за считанные секунды, в то время как фторид магния и фторид кальция, имеющие температуры кипения 2260 и 2533 градусов по Цельсию соответственно, остаются в смеси в твердом состоянии. Затем исследователи собрали летучий поток, содержащий фторид лития, в результате чего было извлечено 82% фторида лития с чистотой до 99%.
С целью подтверждения практической ценности полученного лития фторида его добавили в электролит литий-ионных батарей и провели испытания на стабильность, а также на влияние на характеристики батарей. Электролит с добавлением регенерированного лития фторида продемонстрировал более высокую стабильность и лучшие характеристики, что подтвердило способность данного процесса производить полезный литий батарейного качества.
Поскольку существуют и другие методы извлечения лития из рассолов, на последнем этапе был проведен сравнительный анализ данного нового процесса с существующими коммерческими методами извлечения из рассолов. Экологический анализ показал, что метод на основе PFAS потребляет меньше воды и энергии, чем два наиболее распространенных метода извлечения лития, и оказывает меньшее влияние на глобальное потепление. Кроме того, ожидается, что эксплуатационные затраты будут ниже, а время работы сократится до нескольких минут.
«Рассматривая отходы как потенциально полезные соединения, мы смогли превратить проблемные продукты адсорбции ПФАС на активированном угле в ценные металлы, которые можно использовать, например, в аккумуляторах», — сказал Тур, профессор химии имени Т.Т. и В.Ф. Чао и ведущий автор исследования. «Это, как ожидается, принесет значительные экологические, экономические и технологические выгоды».
