Thế giới đang có nhu cầu về lithium nhiều hơn bao giờ hết. Nhưng các phương pháp khai thác hiện tại thường mất nhiều công sức và tài nguyên. Một giải pháp cho nhu cầu lớn về lithium có thể là loại thiết bị chiết xuất, hoạt động bằng năng lượng mặt trời theo kiểu “bập bênh”.

Trong nghiên cứu này, các nhà nghiên cứu tại Đại học Zhejiang, Trung Quốc, trình bày một thiết bị chiết xuất kiểu bập bênh sử dụng năng lượng mặt trời, để tăng khả năng hấp thụ Li+, đồng thời giảm thiểu sự đóng cặn của muối trong quá trình bay hơi quang nhiệt.

Lithium là nguyên tố quan trọng của thế giới hiện đại. Nó cung cấp năng lượng cho nhiều thiết bị, từ điện thoại thông minh đến xe điện. Nhưng có một trở ngại lớn là trữ lượng lithium có thể khai thác trên thế giới đang dần cạn kiệt.

Khai thác trên đất liền là quá trình mất nhiều thời gian, tốn nhiều nước, gây hại cho môi trường, không thể đáp ứng nhu cầu năng lượng xanh đang tăng vọt. Điều thú vị là có một nguồn cung cấp khác thay thế, nằm trong đại dương.

Đại dương được dự đoán chứa trữ lượng lithium khổng lồ, lên đến 230 tỉ tấn. Tuy nhiên, việc khai thác “vàng trắng” này rất khó khăn vì lithium bị pha loãng cực kỳ nhiều. Cố gắng tách lithium từ nước biển giống như cố gắng tìm một hạt đường trong sa mạc muối.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã phải vật lộn với natri. Nước biển chứa lượng natri gấp 60.000 lần so với lithium. Khi các kỹ sư cố gắng làm bay hơi nước để thu thập lithium, muối tích tụ quá nhanh, tạo thành cặn, làm tắc nghẽn thiết bị và làm ngừng sản xuất.

Thiết bị mới này, chiết xuất kiểu bập bênh chạy bằng năng lượng mặt trời (SPSE), nhằm mục đích giải quyết các thách thức hiện có. Thiết kế của nó, về cơ bản là một cấu trúc dạng sandwich gồm các vật liệu công nghệ cao.

SPSE hoạt động bằng cách đặt một lớp ưa nước, hút lithium, nằm giữa hai lớp quang nhiệt kỵ nước, hấp thụ ánh nắng mặt trời. Sử dụng năng lượng mặt trời, thiết bị kích hoạt quá trình bay hơi để hút lithium vào bên trong, trong khi độ nghiêng 30 độ độc đáo của nó giúp quản lý chất thải.

Khi lớp muối hình thành ở phần nhô cao, trọng lượng dịch chuyển khiến thiết bị lắc lư như bập bênh, nhấn chìm lớp cặn tích tụ để nước biển có thể tự nhiên cuốn trôi đi. Chu kỳ tự làm sạch này giúp thiết bị chiết xuất không bị tắc nghẽn, cho phép thu hoạch liên tục bằng năng lượng mặt trời.

Cấu hình bập bênh cho phép nâng cao và tập trung ion Li+ thông qua quá trình bay hơi để khắc phục động học hấp thụ chậm chạp, đồng thời lớp cặn muối liên quan bám trên bề mặt được loại bỏ nhờ chuyển động bập bênh, nghiên cứu cho biết.

Trong thử nghiệm, mô hình bập bênh cho hiệu quả hấp thụ lithium tốt hơn các phương pháp ngâm tiêu chuẩn với hiệu suất hấp thụ lithium cao hơn 69%. Theo nghiên cứu, nguyên mẫu chứng minh sự gia tăng gấp 15,5 lần nồng độ Li+ cục bộ để tăng cường quá trình hấp thụ.

Thiết bị chiết xuất đã tách lithium khỏi các ion natri cạnh tranh với hiệu suất gấp 370.000 lần. Hơn nữa, chuyển động bập bênh đảm bảo muối không làm tắc nghẽn hệ thống. Điều này dẫn đến, quy trình này cũng được cho là có thể hoạt động như máy lọc nước nếu được tối ưu hóa.

Hệ thống có thể tạo ra nước uống như một sản phẩm phụ bền vững của quá trình chiết xuất. Các nhà nghiên cứu mô tả hệ thống này là sự kết hợp song song giữa khử muối nước biển/nước mặn và sản xuất lithium.

Tuy nhiên, công nghệ này vẫn chưa hoàn hảo. Theo báo cáo, bộ lọc dựa trên mangan hiện tại bị xuống cấp sau khoảng 30 lần sử dụng. Nhóm nghiên cứu đang xem xét chuyển sang vật liệu dựa trên titan để có tuổi thọ cao hơn.

Nhóm nghiên cứu cũng cần đảm bảo thiết bị có thể hoạt động tốt với độ pH tự nhiên của đại dương mà không cần phải thêm hóa chất. Công trình nghiên cứu này được công bố trên tạp chí Device.