«Новая нефть» — российские ученые научились добывать литий без ущерба экологии

Ученые придумали, как добывать литий из минералов без ущерба для окружающей среды. Раньше для этого требовались особые усилия, чтобы расщепить крепкие алюмосиликаты. В этих минералах содержатся оксид алюминия, диоксида кремния и окись лития. Первое вещество настолько «цепкое», что из него делают бруски для заточки ножей, резцов и прочего. Второе присутствует почти во всех твердых минералах («камнях»). И чтобы вырвать из такого соседства литий, приходилось использовать серную кислоту. Это негативно отражалось на природе, так что «зеленая энергетика», краеугольным камнем которой является литий, на деле выходила не такой и зеленой. Но сотрудники лаборатории сорбционных методов и лаборатории геохимии и рудоносности щелочного магматизма ГЕОХИ РАН разработали полностью российскую технологию переработки трудноразлагаемых минералов-алюмосиликатов. Потребление лития планетой каждый год растет колоссально, потому, без преувеличений, это важная для всей Земли методика. Но почему вообще добыча лития так необходима, что все закрывают глаза на сопутствующий ущерб? В каком-то смысле использование этого металла в аккумуляторах можно сравнить со значимостью открытия нефти, и дело не только в возрастающем спросе на электромобили.

Литий — это…

Литий открыли 200 с лишним лет назад, а первый литий-ионный аккумулятор изобрел в 1991 году японский химик Акира Ёсино, компания Sony первой в мире воспользовалась его творением. Это металл, который почти вдвое легче воды (его невозможно утопить), самый легкий в таблице Менделеева. Если верить теории Большого взрыва, то литий входит в троицу так называемых первичных элементов. Он вместе с водородом и гелием появился в самом начале почти 14 миллиардов лет назад. В батарее почти каждого телефона — частичка Большого взрыва.

Почем Lithium для народа

Геологическая служба США в начале этого года опубликовала свою оценку интересных данных. Запасы «батарейного металла» в мире — около 98 миллионов тонн. За 2022 год все страны сообща добыли 130 тысяч тонн металла. То есть такими темпами запасов хватило бы на 750 лет, но темп постоянно растет — в 2021-м году мировая добыча составила 107 тысяч тонн. Больше всего «новой нефти» в Боливии, Аргентине и Чили — 21,2 и 11 миллионов тонн (геологически разведанных и готовых к извлечению). Немало и в Китае — почти 7 миллионов тонн, но «Мастерская мира» настолько нуждается в сырье, что не экспортирует его, а даже закупает — темпы добычи намного ниже потребностей сосредоточенных в стране производств. При всем этом на сегодняшний день треть мирового лития добывают в Австралии — там шесть крупных предприятий и запас около 6 миллионов тонн.

Металл не собирается существенно дешеветь, хотя разные аналитики время от времени прогнозируют небольшие спады. Если брать китайские цены (все же именно там появляются на свет подавляющее большинство мобильников, фонариков, радиоуправляемых моделей, аккумуляторных инструментов, беспроводных роботов-пылесосов), то карбонат лития подорожал с $35 000 за тонну в начале 2022 года до $67 000 к осени того же года. Карбонат лития удобен тем, что это уже устойчивое соединение. Как раз его и получают, грубо говоря, поливая кислотой минералы. Это же соединение используется в аккумуляторах.

Гидроксид лития (в основном нужен, чтобы производить электролит для щелочных аккумуляторов, а еще для фильтров воздуха на космических станциях) тоже вырос в цене с $35 300 за тонну до $78 000 за прошлый год. И если в 2020 году общая стоимость потребления «новой нефти» во всем мире составила всего $3 миллиарда, то уже в 2022 увеличилась на порядок — до $35 миллиардов.

Да кому этот литий нужен?

Рост стоимости обуславливает область применения: она за последние десятилетия сместилась. До недавнего времени литий широко использовался для изготовления полупроводников, пиротехники, лазеров, разных реагентов химической промышленности. Если сплавить литий со скандием, магнием, медью или алюминием, то новый материал послужит в авиации и космонавтике — он будет легкий и прочный. Особые соединения лития с алюминием и кремнием образует такую прочную керамику, что ее даже используют в военной технике. «Новая нефть» присутствует и в усиленных пуленепробиваемых стеклах.

Но «мобильная эра» диктует свои правила. В среднем весь мировой литий расходуется таким образом. Батарейки и разные аккумуляторы — 80% (это не только мобильники, но и растущий мировой спрос на электромобили). Керамика и стекло — 7%, разные консистентные смазки — 4%, разные флюсы и присадки для литья металлов в формы — 2%, для очистки воздуха — 1% (гидроксид лития улавливает углекислый газ, из-за чего обширно используется в космических аппаратах), в медицине — еще 1%. Оставшиеся 5% — прочие мелочи.

Литий в России

«Литиевая проблема» России в том, что в стране его совсем не добывают уже больше 20 лет. Так сложилось экономически — сырье дешевле покупать, чем добывать. Больше всего в нем нуждаются компания по производству литий-ионных аккумуляторов «Лиотех» и Каменск-Уральский металлургический завод (выпускает изделия из литий-алюминиевых сплавов). В это же время «Росатом» строит завод по производству литий-ионных аккумуляторов в Калининграде, для работы также понадобится много ресурсов.

Санкции продиктовали свои условия — Аргентина и Чили отказались поставлять сырье, основным российским поставщиком осталась Боливия. Отечественный «Полярный литий» планирует уже к 2026 году начать добычу металла в Колмозерском месторождении Мурманской области, которое считается крупнейшим в России  — там почти пятая часть всех отечественных запасов, это около 75 миллионов тонн. «ТД Халмек» и «Химико-металлургический завод» вскоре начнут работу на другом крупном мурманском месторождении — Полмостундровском. Так что в ГЕОХИ РАН придумали новую технологию как раз вовремя.

Новая, по-настоящему «зеленая» нефть

Что же придумали ученые? Грубо говоря, литий добывают, смешивая глину с серной кислотой. На выходе — некоторое количество карбоната лития и раз в 20 больше отработанной серной кислоты. Чаще всего отходы свваливают в насыпи-курганы, которые сложно как-либо утилизировать. Иногда они достигают высоты в десяток метров. В ГЕОХИ РАН много экспериментировали с разными температурами, составами реагентов и прочими условиями. В какой-то момент специалисты смогли создать модель производства не только без использования серной кислоты, но и с замкнутой круговой схемой.

Так, само разложение руды ученые сделали с помощью бисульфата аммония (он же — гидросульфат аммония). Из этого вещества при помощи аммиака получают одно из лучших удобрений — сульфат аммония. А иногда его можно использовать как растворитель. Или слабый заменитель серной кислоты.

Но самое важное в процессе, что этот растворитель по сути почти не меняется в ходе реакции. Если после получения лития оставшийся реагент нагреть до 250 градусов цельсия, то получится снова бисульфат аммония, который опять готов разлагать литиевую руду. При этом бисульфат намного безопаснее серной кислоты. И отпадает вопрос доставки тонн опасной кислоты к местам добычи.

В теории рабочая установка может выглядеть так: огромный чан объемом в несколько кубометров с растворителем, в который сгружают руду, спустя какое-то время через систему фильтров остаётся лишь выловить карбонат лития. Как и с серной кислотой, процесс не обойдется без огромного количества шлака, но это будут практически безопасные отходы, незагрязненные продуктами реакции и тяжёлыми металлами (кислота попутно с литием высвобождает их из руды). Оставшийся в чане отработанный растворитель остаётся лишь нагреть до 250 градусов Цельсия, он вернётся к своей исходной формуле и будет готов к следующей порции руды.

Новая технология уже подтверждена лабораторно — с ее помощью ученые получили карбонат лития чистотой 99.5%. Это подходит для аккумуляторов высшего класса. По предварительным подсчетам, стоимость добычи лития при таких вводных сокращается вдвое.

Сейчас директор ГЕОХИ РАН Руслан Хамизов уже представил новую технологию представителям госкорпорации «Росатом», так что на очереди — промышленные испытания с последующим внедрением методики.

Источник