Чем для нас так важен литий? Почему его стало мало на рынке и в чем сложности его добычи? Как новая технология селективного извлечения, разработанная российскими учеными, позволит стране стать импортонезависимой? На эти и многие другие вопросы отвечает научный руководитель Института физической химии и электрохимии им. А.Н. Фрумкина академик Аслан Юсупович Цивадзе.
Технология, о которой пойдёт речь, была реализована в рамках гранта 13.1902.21.0007 (соглашение № 075-15-2020-782 от 28.09.2020) «Физико-химические основы решения проблем селективности для создания инновационных технологий» стоимостью 300 млн. рублей.
― Аслан Юсупович, мы бы хотели поговорить с вами о новых технологиях и прорыве, совершенном вами и вашими коллегами в области селективного извлечения лития. Но расскажите для начала о сферах применения лития. Чем он так важен?
― Литий применяется во многих областях науки и техники. В 1950-е гг. в термоядерной энергетике наиболее широко использовался изотоп литий-6, но со временем масштабная потребность в нем отпала. Сейчас, однако, начинают обращать внимание на литий-7. Предполагается, что он будет использоваться в атомных реакторах нового поколения, которые еще не созданы, но уже прогнозируются.
Литий ― часть различных сплавов во многих областях науки и техники, в том числе в авиационных материалах. Но наиболее известное и популярное применение элемент нашел в литий-ионных аккумуляторах. Это батареи в наших смартфонах, компьютерах, электромобилях. И области применения только увеличиваются.
Сейчас на рынке лития возник дефицит, резко возросла стоимость металла. Если раньше у нас были минеральные источники сырья, то сейчас этих запасов почти не осталось. В СМИ рост цен связывают с популярностью аккумуляторов, но на самом деле у лития более широкие применение и перспективы. Кроме того, основные поставщики, то есть латиноамериканские страны, Австралия и Китай, ограничили свое предложение.
― С возникновением понимания того, что запасов стало меньше и возник дефицит, наверняка появилась потребность в нахождении новых способов добычи лития?
― Для начала я объясню, какие источники вообще существуют. Во-первых, минеральные. Во-вторых, водные рассолы ― морская вода, геотермальные воды, солевые озера. Таких запасов много, и в этом их преимущество. Третий источник ― отработанные литий-ионные аккумуляторы, их переработка и возврат использованного лития в производство. Это тоже восполняет тот дефицит, что сейчас есть.
― Соответственно, если с минеральными источниками возникла проблема, то можно обратиться к двум другим. В чем же заключается суть новой технологии, созданной вами? Какой источник она использует?
― Во всем мире сейчас разрабатываются новые технологии. В последние годы в наиболее престижных высокорейтинговых журналах появились обзоры по этой проблеме. В них проанализировано существующее положение дел и сделано следующее заключение: есть пять основных методов извлечения и концентрирования лития из водных рассолов. Первый ― классическое выпаривание, затем мембранная, экстракционная, сорбционная и электрохимическая технологии.
Каждый из этих методов имеет свои преимущества и недостатки. И авторы аналитических обзоров пришли к выводу, что пока еще ни один из них себя не оправдал для перехода на широкомасштабное производство. В разных странах по-разному пытаются использовать эти данные, что-то нарабатывают, но остаются недовольны параметрами. То производительность не устраивает, то время переработки, то затраты и дороговизна. Так что сейчас думают о том, как использовать комплексный метод, который бы сочетал в себе два дополняющих друг друга способа извлечения. Но вот найти эту пару сложно. Так что вопрос до недавнего времени был открытым.
Мы знали об этих обзорах, когда приступили к работе в рамках проекта по поиску методов извлечения лития. Что, конечно, не успокаивало нас, поскольку это была практически нерешаемая проблема.
Мы выбрали экстракционный метод. Согласно обзорам, он уступал иным методам по селективности, но превосходил их по масштабируемости и производительности, а также обладал потенциальной возможностью автоматизации процесса. Недостаток же в селективности был связан с отсутствием соответствующих экстрагентов. В России с ними в принципе плохо, мы в основном используем импортные, хотя они не дают хороших результатов.
Начался поиск качественных экстрагентов, которые мы сами могли бы синтезировать, которые были бы новыми, никому не известными и превосходили аналоги. И мы нашли их, исходя из отечественного сырья. Получив первые показатели, уже надо было идти по пути технологий и умножать эффект однократных процессов, для чего требовалось создать соответствующие каскады из центробежных экстракторов.
Тут нам помог наш опыт по разделению изотопов лития. Мы разделили изотопы лития с выделением лития-6 еще в 1980-е гг., а сейчас разработали технологию для лития-7. И у нас в институте создана установка каскада из центробежных экстракторов, которая демонстрирует всю цепочку технологического процесса, позволяя рассчитать масштабируемость, технико-экономические и экологические показатели.
На основе этих каскадов мы создали новый каскад специально для извлечения лития из модельных растворов, которые имитировали по своему составу геотермальную и морскую воду. Но когда мы перешли к масштабированию, столкнулись с технологическими проблемами. Наши молодые сотрудники дневали и ночевали в институте, ведь только что был успех, а получилось, что мы не у дел. Так что начался поиск решений технических проблем.
Надо сказать, что когда собирается творческий разносторонний коллектив с соответствующими опытом и настроем, то он может добиться чего угодно. Поэтому получилось так, что на основе экстрагентов мы создали эффективную экстракционную систему и получили невероятный эффект с селективностью, которой нет более нигде в мире. Можно сказать, что теперь мы готовы решить любую технологическую задачу и способны создать для этого демонстрационные установки.
Задачи могут быть разные. Озера, геотермальные воды, морская вода ― все они различаются по составу и для каждого источника необходимо разрабатывать свои технологические схемы. Сейчас мы сосредоточились на рассолах, но наша технология позволяет перерабатывать и минеральные источники, как, например, на Кольском полуострове или в Сибири. Но там сложность состоит в том, что нужно предварительно перерабатывать руду, вскрывать ее, а потом уже приступать к селективному извлечению.
Когда о нашей технологии узнали, появились запросы и предложения, и в частности от тех компаний, которые перерабатывают отработанные литиевые аккумуляторы. Я сразу сказал, что мы не будем пользоваться австрийской технологией, а сделаем свою, с переводом в раствор. Нам повезло ― мы начали использовать наши реагенты, большое количество которых мы наработали за это время. Некоторые из них позволили нам быстро переводить батареи в раствор, легко отделяя медь, железо и полимерные составляющие. Это предварительный результат, однако он все же позволяет нам сказать, что мы можем производить литий в любых объемах и из любых источников. Дешево! И импортонезависимо.
