El litio, el metal más liviano de la tabla periódica, desempeña un papel fundamental en la vida moderna. Su bajo peso y alta densidad energética lo hacen ideal para vehículos eléctricos, teléfonos celulares, computadoras portátiles y tecnologías militares donde cada gramo cuenta. A medida que la demanda de litio se dispara, aumentan las preocupaciones sobre su suministro y fiabilidad.
Para ayudar a satisfacer la creciente demanda y posibles problemas en la cadena de suministro, científicos del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE.UU. (DOE, por sus siglas en inglés) han desarrollado una innovadora tecnología de membranas que extrae litio del agua de forma eficiente. Los hallazgos fueron publicados por primera vez en la revista Advanced Materials. Varios miembros del equipo también tienen cargos conjuntos en la Escuela de Ingeniería Molecular Pritzker (PME) de la Universidad de Chicago.
“La nueva membrana que hemos desarrollado ofrece una alternativa potencial de bajo costo y abundante para la extracción de litio aquí mismo en el país,” dijo Seth Darling, director científico y tecnológico de la Dirección de Tecnologías Energéticas Avanzadas de Argonne. También es director del Centro de Investigación Fronteriza de Materiales Avanzados para Sistemas Energía-Agua (AMEWS) en Argonne y científico senior en la PME.
Actualmente, la mayor parte del litio del mundo proviene de la minería de roca dura y de lagos salados en solo unos pocos países, lo que deja a las cadenas de suministro vulnerables a interrupciones. Sin embargo, la mayor parte del litio de la Tierra está disuelto en agua de mar y reservas subterráneas de agua salada. ¿El problema? Extraerlo de estas fuentes no convencionales ha sido extremadamente costoso, demandante de energía e ineficiente. Los métodos tradicionales tienen dificultades para separar el litio de otros elementos más abundantes como el sodio y el magnesio.
Los investigadores creen que este avance podría tener aplicaciones más amplias, desde la recuperación de otros materiales clave como el níquel, el cobalto y las tierras raras, hasta la eliminación de contaminantes dañinos del suministro de agua
En el agua salada, el litio y otros elementos existen como cationes: átomos que han perdido uno o más electrones, lo que les da una carga eléctrica positiva. La clave para una extracción eficiente del litio está en filtrar los demás cationes según su tamaño y nivel de carga.
La nueva membrana ofrece una solución prometedora y de bajo coste. Está hecha de vermiculita, una arcilla naturalmente abundante que cuesta solo unos $350 por tonelada. El equipo desarrolló un proceso para separar la arcilla en capas ultrafinas —de apenas una milmillonésima de metro de grosor— y luego volver a apilarlas para formar una especie de filtro. Estas capas son tan delgadas que se consideran bidimensionales (2D).
Pero había un obstáculo: sin tratamiento, las capas de arcilla se descomponen en el agua en menos de media hora debido a su fuerte afinidad por ella.
Para resolver este problema, los investigadores insertaron diminutos pilares de óxido de aluminio entre las capas, lo que dio a la estructura el aspecto de un estacionamiento de varios pisos en construcción, con muchos pilares sólidos sosteniendo cada “piso” en su lugar. Esta arquitectura evita el colapso y neutraliza la carga superficial negativa de la membrana, un paso crucial para modificaciones posteriores.
A continuación, se introdujeron cationes de sodio en la membrana, donde se asentaron alrededor de los pilares de óxido de aluminio. Esto cambió la carga superficial de la membrana de neutra a positiva. En el agua, tanto los iones de magnesio como los de litio tienen carga positiva, pero los de magnesio tienen una carga mayor (+2) comparada con la del litio (+1). La superficie cargada positivamente de la membrana repele con más fuerza a los iones de magnesio que a los de litio. Esta diferencia permite que la membrana capture con mayor facilidad los iones de litio y excluya los de magnesio.
Para mejorar aún más el rendimiento, el equipo añadió más iones de sodio. Esto redujo el tamaño de los poros de la membrana. El resultado es que la membrana permite el paso de los iones más pequeños como el sodio y el potasio, mientras retiene los iones de litio, que son más grandes.
“Filtrando por tamaño de ion y carga, nuestra membrana puede extraer litio del agua con mucha mayor eficiencia,” dijo Yining Liu, autora principal del estudio, candidata a doctorado en UChicago y miembro del equipo AMEWS. “Una membrana como esta podría reducir nuestra dependencia de proveedores extranjeros y abrir la puerta a nuevas reservas de litio en lugares que nunca habíamos considerado.”
Los investigadores creen que este avance podría tener aplicaciones más amplias, desde la recuperación de otros materiales clave, como el níquel, el cobalto y las tierras raras, hasta la eliminación de contaminantes dañinos del suministro de agua.
“Existen muchos tipos de este material arcilloso,” dijo Liu. “Estamos explorando cómo podría ayudar a recolectar elementos críticos del agua de mar y de salmueras de lagos salados, o incluso ayudar a limpiar nuestra agua potable.”
En un mundo cada vez más condicionado por el acceso al agua limpia y al suministro seguro de materiales esenciales, innovaciones como esta podrían ayudar a alimentar no solo nuestros dispositivos, sino también nuestro futuro.
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