Un nouveau procédé permet de récupérer cinq fois plus de lithium à partir des déchets que la technologie existante

Des chimistes du laboratoire national d'Oak Ridge du ministère américain de l'Énergie ont démontré que l'hydroxyde d'aluminium, un minéral abondant dans la croûte terrestre, peut adsorber au moins cinq fois plus de lithium que ce qui peut être collecté à l'aide de matériaux adsorbants précédemment explorés.

En utilisant un procédé nouvellement développé pour extraire le lithium des déchets liquides lixiviés des sites miniers, des champs de pétrole et des batteries usagées, les chercheurs ont prouvé que l'hydroxyde d'aluminium peut agir comme sorbant du sulfate de lithium et le retenir.

« Le principal avantage est qu'il fonctionne dans une plage de pH plus large de 5 à 11 par rapport aux autres méthodes d'extraction directe du lithium », a déclaré Parans Paranthaman, ORNL Corporate Fellow et co-auteur des articles présentant ces résultats, dans un communiqué aux médias.

Le processus d'extraction sans acide, en instance de brevet, se déroule à 140 degrés Celsius, par rapport aux méthodes traditionnelles qui grillent les minéraux extraits à 250 degrés Celsius avec de l'acide ou entre 800 et 1 000 degrés Celsius sans acide.

La technique fonctionne sur la base de la lithiation, au cours de laquelle une poudre d'hydroxyde d'aluminium extrait les ions lithium d'un solvant pour former une phase d'hydroxyde double en couches stable, ou LDH. Ensuite, lors de la délithiation, le traitement à l'eau chaude amène la LDH à renoncer aux ions lithium et à régénérer le sorbant. Lors de la relithiation, le sorbant est réutilisé pour extraire davantage de lithium.

« C'est la base d'une économie circulaire », a déclaré Paranthaman.

Réactions rapides

L'hydroxyde d'aluminium existe sous quatre formes cristallines hautement ordonnées et une forme amorphe ou désordonnée.

La forme joue un rôle important dans la fonction du sorbant.

« Sur la base de mesures calorimétriques, nous avons appris que l'hydroxyde d'aluminium amorphe est la forme la moins stable parmi les hydroxydes d'aluminium et qu'il est donc très réactif », a déclaré Jayanthi Kumar, co-auteur de la recherche. « C'était la clé de cette méthode, qui a permis d'obtenir une plus grande capacité d'extraction du lithium. »

L'hydroxyde d'aluminium amorphe étant la forme la moins stable des minéraux, il réagit spontanément avec le lithium provenant de la saumure extraite des argiles résiduaires.

« Ce n’est que lorsque nous avons effectué les mesures que nous avons réalisé que la forme amorphe est bien, bien moins stable. C’est pourquoi il est plus réactif », a déclaré Kumar. « Pour gagner en stabilité, il réagit très vite par rapport aux autres formes. »

Deux étapes pour récupérer le lithium

Kumar optimise le processus par lequel le sorbant adsorbe sélectivement le lithium des liquides contenant du lithium, du sodium et du potassium et forme ensuite du sulfate de LDH.

Les chercheurs ont utilisé la microscopie électronique à balayage pour caractériser la morphologie de l'hydroxyde d'aluminium lors de la lithiation. Il s’agit d’une couche neutre chargée qui contient des lacunes atomiques ou de minuscules trous. Le lithium est absorbé sur ces sites. La taille de ces lacunes est la clé de la sélectivité de l’hydroxyde d’aluminium pour le lithium, qui est un ion ou cation chargé positivement.

« Ce site vacant est si petit qu'il ne peut contenir que des cations de la taille du lithium », a déclaré Kumar. « Le sodium et le potassium sont des cations avec des rayons plus grands. Les plus gros cations ne rentrent pas dans le site vacant. Cependant, c'est une combinaison parfaite pour le lithium.

La sélectivité de l’hydroxyde d’aluminium amorphe pour le lithium se traduit par une efficacité presque parfaite. En une seule étape, le processus a capturé 37 milligrammes de lithium par gramme de sorbant récupérable, soit environ cinq fois plus qu'une forme cristalline d'hydroxyde d'aluminium appelée gibbsite, qui était auparavant utilisée pour l'extraction du lithium.

La première étape de lithiation extrait 86 % du lithium présent dans le lixiviat, ou saumure, des sites miniers ou des champs de pétrole. Faire passer le lixiviat à travers le sorbant d’hydroxyde d’aluminium amorphe une seconde fois récupère le reste du lithium. « En deux étapes, vous pouvez récupérer complètement le lithium », a déclaré Paranthaman.

Un processus plus écologique

Venkat Roy et Fu Zhao de l'Université Purdue ont analysé les avantages du cycle de vie d'une économie circulaire issue de l'extraction directe du lithium. Ils ont comparé le procédé ORNL à une méthode standard utilisant du carbonate de sodium. Ils ont constaté que la technologie ORNL utilisait un tiers du matériau et un tiers de l’énergie et générait par la suite moins d’émissions de gaz à effet de serre.

Ensuite, les chercheurs souhaitent étendre le processus pour extraire davantage de lithium et régénérer le sorbant sous une forme spécifique. Désormais, lorsque le sorbant d'hydroxyde d'aluminium amorphe réagit avec le lithium et est ensuite traité avec de l'eau chaude pour éliminer le lithium et régénérer le sorbant, le résultat est un changement structurel dans le polymorphe de l'hydroxyde d'aluminium d'une forme amorphe à une forme cristalline appelée bayérite.

Un nouveau procédé permet de récupérer cinq fois plus de lithium à partir des déchets que la technologie existante
L'hydroxyde d'aluminium peut extraire 37 milligrammes de lithium par gramme de sorbant récupérable en une seule étape. (Image de Jayanthi Kumar, Parans Paranthaman et Philip Gray | ORNL).

« La forme bayérite est moins réactive », a déclaré Kumar. « Il faut soit plus de temps – 18 heures – soit du lithium plus concentré pour réagir, contrairement à la forme amorphe, qui réagit dans les 3 heures pour récupérer tout le lithium de la solution de lixiviat. Nous devons trouver un moyen de revenir à la phase amorphe, dont nous savons qu’elle est très réactive.

Les scientifiques estiment que le succès de l’optimisation du nouveau processus en termes de vitesse et d’efficacité d’extraction pourrait changer la donne pour l’approvisionnement national en lithium. Plus de la moitié des réserves terrestres mondiales de lithium se trouvent dans des endroits où la concentration de minéraux dissous est élevée, comme dans la mer de Salton en Californie ou dans les champs de pétrole du Texas et de Pennsylvanie.

« Au niveau national, nous ne produisons pas vraiment de lithium », a déclaré Paranthaman. « Moins de 2 % du lithium destiné à la fabrication provient d’Amérique du Nord. Si nous pouvons utiliser le nouveau procédé ORNL, nous disposons de diverses sources de lithium partout aux États-Unis. Le sorbant est si efficace que vous pouvez l’utiliser pour n’importe quelle saumure ou même pour des solutions provenant de batteries lithium-ion recyclées.

Photo of author

Nicolas