Ионный обмен: как мембранные технологии помогут добывать литий для электроники

«Белая нефть» — так называют редкий металл литий. Литиевые сплавы активно используют в современной технике: от смартфонов и электромобилей до ядерных технологий. Однако в природе этот материал почти никогда не встречается в чистом виде, а его добыча требует больших затрат и применения токсичных реагентов.

Решение нашел ведущий научный сотрудник, доцент Кубанского государственного университета, кандидат химических наук Дмитрий Бутыльский. Он предложил использовать технологию на основе мембран, позволяющую экологично добывать литий. За разработку специалист был удостоен премии Президента Российской Федерации в области науки и инноваций для молодых ученых за 2025 год. Подробнее о новой технологии и особенностях добычи редкого металла автор проекта рассказал порталу Наука.рф.

— Дмитрий, вы занимаетесь исследованиями в сфере электрохимии и физической химии. Что вас привлекло в этих научных областях?

— В этом направлении я начал развиваться еще в магистратуре. Тогда меня привлекла одна из ведущих научных школ КубГУ, которая специализировалась в области исследования наномембранных материалов и уже тогда имела международный авторитет. Мне всегда было интересно изучать свойства разных материалов, узнавать, как один и тот же набор компонентов можно применять для разных прикладных задач. Важную роль в моем становлении сыграл мой наставник, профессор Виктор Васильевич Никоненко. Он всегда дает нетривиальные задачи, может увидеть то, мимо чего другие «проходят». Сейчас благодаря его личным усилиям наша команда сильно выросла, у нас работают коллективы из нескольких лабораторий.

— Почему вы стали работать именно с технологиями для извлечения лития? Как вообще добывают этот металл?

— Сегодня литий играет ключевую роль в развитии электроники. В природе его трудно найти, он рассеян. Но главная проблема: этот металл крайне редко содержится в высоких концентрациях. Кроме того, в природных водах, составляющих основу мировых запасов лития, его можно встретить в сочетании со множеством других химических элементов.

Например, в Ангаро-Ленском бассейне (площадь которого занимает примерно 520 тысяч км²) содержание лития составляет около 500 миллиграммов на литр. Составы таких вод очень сложные, насыщены солями, находятся на грани кристаллизации. Поэтому важно не просто научиться эффективно добывать литий в промышленных масштабах, но и двигаться в сторону комплексной переработки таких вод, которая позволит извлекать все элементы, минимизируя количество отходов.

Классические технологии предполагают реагентное разделение компонентов. Например, в Латинской Америке, где сосредоточено больше половины мировых запасов лития, оборудуют огромные испарительные бассейны. Литий в этом регионе «спрятан» в солончаках — местах, где когда-то были озера, а теперь под коркой соли залегают рассолы, насыщенные литием.

Эти территории заполняют водой, чтобы поднять соли на поверхность. Затем добавляют реагенты, чтобы отделить литий от других компонентов. Солей кальция и магния в природных водах очень много — их удаляют первыми, а потом остальные компоненты. В результате химических реакций получают карбонат лития. То есть, его получают только на последней стадии, с помощью большого количества реагентов и солнечной энергии для выпаривания. Для наших условий такая технология не подходит.

— Как родилась идея об электробаромембранном методе?

— Идею о процессе, который позволял бы разделять близкие по свойствам компоненты, высказал мой наставник. Во время командировки он вспомнил одну из научных работ, где говорилось о разделении ионов с помощью двух движущих сил, а не одной, как это обычно бывает. Через несколько дней я нашел эту работу и увидел в ней заделы для своих будущих исследований. Мы начали собирать информацию, убедились, что такими разработками никто больше не занимается. Вместе с коллегами и студентами начали собирать первые устройства. Этот проект стартовал в 2017 году, а уже в 2019 году мы запатентовали наш способ.

Стоит отметить, что мембранные материалы изучают давно. Научная мембранная школа в КубГУ существует около 50 лет. Важный вопрос всегда заключался в прикладном применении: как использовать такие разработки, чтобы получить эффективный результат.

— Как удается извлечь литий с помощью этого метода?

— Сначала вода проходит стандартную подготовку: удаляются грубые примеси, железо, марганец и органические вещества. Дальше идет первый этап фильтрации с помощью специальных литий-селективных сорбентов, например, на основе двойного гидроксида алюминия. Их в свое время предложила использовать для извлечения лития из подземных вод доктор технических наук Наталья Павловна Коцупало. Тогда эти разработки не нашли применения, но сейчас появились предприятия, которые довели их до коммерциализации. Благодаря этим сорбентам мы получаем раствор с высоким содержанием лития, однако другие компоненты в нем еще сохраняются. И вот здесь в дело вступают мембранные методы.

Модули комплектуются мембранами — тонкими полимерными пластинами, установленными параллельно друг другу. Они образуют между собой камеры. Под действием электрического поля* через эти камеры прокачивается раствор. Мембраны, как фильтр, пропускают частицы с определенным размером и зарядом. Таким образом удается отделить ионы лития от кальция и магния. Многозарядные ионы, например, магний, не могут пройти сквозь мембраны — для этого им нужно потерять часть своей водной оболочки. 

Далее нужно отделить литий от близких по свойствам ионов натрия и калия, где может использоваться разработанный нами метод. На финальных стадиях применяется биполярный электродиализ, позволяющий получать без реагентов гидроксид лития с помощью специальных мембран.

Так, комбинируя разные мембранные методы, можно получить чистый литиевый продукт: гидроксид, либо карбонат лития.

— Помимо природных источников, вашу технологию можно использовать для получения лития из отработанных аккумуляторов. Как это работает?

— Переработка батарей устроена иначе, но тоже завязана на реагентах. Сначала батареи сортируют и измельчают. Затем отделяют металлические частицы от пластика с помощью магнитов. Далее применяют огромные объемы серной кислоты, чтобы растворить эти металлы, в том числе литий, марганец, кобальт, алюминий*. При таком методе литий тоже приходится выделять из раствора с помощью реагентов.

Здесь мембраны также позволяют заменить реагенты. С их помощью можно за один этап разделить раствор на однозарядные и многозарядные ионы — отделить литий. И потом извлечь разные компоненты.

— Насколько этот метод эффективный?

— Мы провели лабораторные эксперименты и смогли показать, что чистота лития достигает 99,5%. К сожалению, такая технология подходит не для всех природных рассолов. Но те образцы, которые получаются после обработки сорбентами, благодаря нашему методу можно довести до максимально чистого продукта. 

— Есть ли интерес к разработке со стороны промышленных предприятий?

— Конечно. Проблема в том, что полностью реализовать такую технологию в лабораторных условиях сложно — это уже другой уровень затрат. Мы тестируем отдельные этапы. Несколько потенциальных партнеров уже есть, мы ведем с ними переговоры, чтобы создать опытный образец. Необходимо проверить, как метод покажет себя на практике. Эта работа должна идти параллельно с масштабированием.

— С какими трудностями сталкиваетесь?

— Без трудностей, увы, никуда. Основная сложность в том, что у нас практически не производят нанопористые мембраны. Есть небольшие мембранные производства, но их продукция предназначена, например, для молочной промышленности, в частности, для получения белковых концентратов. Размер этих веществ намного больше, чем наши ионы, поэтому такие мембраны не подходят для извлечения лития. Кроме того, есть несколько лабораторий, которые производят ионообменные мембраны для других процессов. У них схожий функционал, но промышленного производства пока нет.

Почему это важно? Дело в том, что такие технологии можно применять не только для извлечения лития, но и других полезных компонентов. Например, тяжелых металлов из сточных вод на предприятиях металлообработки и электронной промышленности. 

Эти же мембраны можно использовать для извлечения соединений фосфора и азота из сточных вод для производства минеральных удобрений. И даже в альтернативной энергетике, для конструирования топливных элементов они тоже подойдут.

Спектр применения у мембранных технологий очень широк. Необходимо развивать рынок, создавать предприятия, которые могли бы участвовать в этих процессах. Поэтому наши прикладные задачи завязаны в том числе на создании таких материалов и поиске рынков сбыта. Важно показать на практике, что метод действительно работает, и в дальнейшем совместно с предприятием наладить производство.

— Какие еще научные задачи хотелось бы решить? О чем мечтаете?

— Сейчас мы плавно движемся к реализации наших задач. Набираемся опыта, предлагаем новые материалы и процессы, которые можно применять для извлечения лития. К нашей работе подключаются студенты, многие из которых продолжают заниматься исследованиями по этому направлению после окончания обучения. В ближайшее время мы хотели бы наладить сотрудничество с индустриальными партнерами и запустить пилотное производство мембран. 

Есть много других планов, которые не связаны напрямую с излечением лития, но тоже значимы для развития отрасли. Например, большинство месторождений этого металла находятся в удаленных регионах, в том числе на территории Восточной Сибири. Инфраструктура пока не позволяет эффективно доставлять туда реагенты. Предприятий по переработке отходов тоже не хватает. Наша технология экологична и не требует применения реагентов. Если ее масштабировать, эти вопросы точно удастся решить.

Беседовала Анна Шиховец