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Quando as pessoas pensam em química, a imagem que normalmente vem à mente é uma variedade de líquidos coloridos em béqueres, frascos e tubos de ensaio em um laboratório. Mas, na prática, a química pode envolver materiais em todos os estados: líquidos, gases e até sólidos.

Cientistas do Centro de Inovação de Materiais Críticos (CMI), liderado pelo Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA, estão usando uma subdisciplina da química chamada mecanoquímica que literalmente abala a compreensão convencional das reações químicas, usando forças mecânicas que agitam, tombam e esmagar sólidos para iniciar reações químicas. Seu novo processo, a extração mecanoquímica de lítio em baixas temperaturas, ou MELLT, é uma solução criativa para aumentar e diversificar a oferta de lítio nos Estados Unidos.

O lítio é um elemento de alta demanda com um risco associado na cadeia de abastecimento. É necessário para baterias recarregáveis ​​de alto desempenho baterias encontrados em tecnologias como telefones celulares, dispositivos médicos e veículos elétricos, para citar alguns. À medida que os veículos eléctricos se tornam mais populares, a procura por lítio aumenta. O elemento lítio (Li) necessário para fazer estes baterias vem de duas fontes: salmouras e minerais de rocha dura. Salmouras de lítio são depósitos de águas subterrâneas salgadas que acumularam lítio dissolvido. O principal mineral de rocha dura que contém lítio é chamado espodumênio. Ambas as fontes requerem métodos de extração diferentes.

Ihor Hlova, cientista do CMI e do Ames Lab e líder do grupo do projeto, explicou que a extração de lítio de salmouras é um processo econômico baseado na evaporação solar. Basicamente, poços rasos cheios de salmoura são continuamente expostos ao ar livre para permitir que a água evapore. É a principal fonte de lítio importado e doméstico nos Estados Unidos.

O método atual para extrair lítio do mineral de rocha dura espodumênio consome muita energia e produz gases de efeito estufa e fluxos de resíduos perigosos. Neste processo, o minério mineral é aquecido duas vezes. Na primeira vez é torrado a 1050°C (1976°F) para convertê-lo a um estado mais adequado ao processamento químico. Na segunda rodada, o minério mineral é cozido a cerca de 250°C (485°F) junto com produtos químicos para formar um composto de lítio solúvel em água. O produto de lítio resultante é de qualidade superior ao lítio extraído de salmouras.

Ambos os métodos apresentam desafios num mercado de alta demanda por lítio; as salmouras demoram muito para serem produzidas (12 a 24 meses) e a extração de minerais de rocha dura consome muita energia. Além disso, as salmouras requerem grandes quantidades de água doce em vários estágios de processamento, enquanto a extração mineral direta produz subprodutos tóxicos.

Para contornar essas desvantagens e criar um processo mais eficiente, o grupo de Hlova utilizou a mecanoquímica.

“A mecanoquímica é uma técnica subutilizada em metodologias de extração”, disse Tyler Del Rose, pesquisador de pós-doutorado no Ames Lab e membro da equipe de pesquisa. “Normalmente é usado para triturar o material inicial ou misturar os reagentes, mas em casos raros tem sido usado para facilitar reações químicas.”

Todas as reações químicas precisam de energia. Essa energia pode vir de várias formas, como calor, luz ou eletricidade. Mas no caso da mecanoquímica, vem de forças mecânicas. “A força mecânica causa imperfeições estruturais na superfície de materiais sólidos”, disse Hlova. “Essas imperfeições tornam-se pontos reativos onde as reações químicas podem acontecer com mais rapidez e facilidade.”

Usando esses princípios, a equipe de Hlova desenvolveu o MELLT. Em um processo chamado moagem de bolas, pedaços sólidos de espodumênio e um reagente químico sólido, como carbonato de sódio (Na₂CO₃), são colocados em uma câmara com esferas de aço. A câmara é movida de diferentes maneiras, causando cisalhamento rápido e repetitivo e tensões de impacto entre os materiais. O estresse repetido eventualmente leva a estados de alta energia nos produtos químicos, fazendo com que reajam entre si. Essas reações resultam em compostos de lítio solúveis em água. Esses compostos de lítio são extraídos do produto final com lavagem com água.

O MELLT agiliza a extração de minerais de rocha dura, utiliza significativamente menos energia e elimina fluxos de resíduos tóxicos. O MELLT também é muito mais rápido que os métodos de extração de salmoura.

“A mecanoquímica oferece uma abordagem mais sustentável e ecologicamente correta para a condução de reações químicas”, disse Hlova. “Este projeto oferece o potencial para diversificar as cadeias de abastecimento de lítio nos EUA, reduzindo a criticidade do lítio e abrindo caminho para um futuro sustentável.”

O desenvolvimento do MELLT faz parte de um esforço colaborativo maior apoiado pelo CMI que envolve vários laboratórios nacionais, universidades e parceiros da indústria para descobrir novos processos de refino ou para melhorar os métodos existentes de extração de lítio de fontes de rocha dura e de salmoura.

“A CMI existe para desenvolver soluções inovadoras para questões críticas da cadeia de abastecimento como esta”, disse Tom Lograsso, diretor da CMI. “Este trabalho faz parte dessa missão, fornecer às indústrias dos EUA tecnologias disponíveis para comercialização.”

A Centro de Inovação de Materiais Críticos é um Centro de Inovação Energética liderado pelo Laboratório Nacional Ames do Departamento de Energia dos EUA com o apoio do Escritório de Eficiência Energética e Energia Renovável do Escritório de Materiais Avançados e Tecnologias de Fabricação (AMMTO). A CMI procura formas de acelerar o desenvolvimento de tecnologias de materiais críticos e melhorar o pipeline de inovação para as cadeias de abastecimento dos EUA, acelerando a investigação, educando uma força de trabalho diversificada e criando tecnologias sem riscos e prontas para comercialização em parceria com a indústria americana.

Em 11 anos como Centro de Inovação Energética de Materiais Críticos do Departamento de Energia dos EUA, 21 tecnologias CMI foram licenciadas. O CMI possui 646 publicações e 51 patentes. A CMI desenvolveu seis pacotes de software de código aberto. Para fazer parceria com a CMI ou licenciar suas tecnologias, entre em contato com Stacy Joiner, CMI Partner Relationships, sjoiner@ameslab.gov ou 515-296-4508.

Laboratório Nacional de Ames é um Departamento de Energia dos EUA Escritório de Ciência Laboratório Nacional operado pela Iowa State University. O Laboratório Ames cria materiais, tecnologias e soluções energéticas inovadoras. Usamos nossa experiência, capacidades únicas e colaborações interdisciplinares para resolver problemas globais.

O Laboratório Nacional Ames é apoiado pelo Escritório de Ciência do Departamento de Energia dos EUA. O Office of Science é o maior apoiante da investigação básica nas ciências físicas nos Estados Unidos e está a trabalhar para enfrentar alguns dos desafios mais prementes do nosso tempo. Para mais informações por favor visite https://energy.gov/science.

By Laboratório Nacional de Ames

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• Fonte: https://cleantechnica.com/2024/04/27/scientists-are-shaking-up-lithium-extraction-with-a-different-kind-of-chemistry/