Voda z ropných vrtů

Od odpadu ke zlatému dolu na lithium

Při těžbě ropy se dostávají na povrch Země i miliony litrů odpadní vody z vrtů (tzv.produced water), obsahující ropné zbytky, chemikálie, těžké kovy a místy i radioaktivní prvky. Desítky let byla vnímána jen jako odpad, který je třeba nákladně vracet do podzemí. Nyní se ale ukazuje, že právě tato "špinavá voda" se může stát klíčovým zdrojem pro čistou energetiku a pomoci snížit závislost na invazivní těžbě vzácných minerálů, zejména lithia.

Strategická surovina z odpadní vody

Snahy o dekarbonizaci zvyšují poptávku po lithiu, ze kterého se stává strategická surovina. Lithium je kovem, který bude zásadní pro nastupující elektromobilitu, jelikož je hlavní součástí baterií elektrických vozidel. Výrobu baterií ovšem komplikuje fakt, že dodavatelský řetězec lithia je velmi složitý a musí překonávat obrovské vzdálenosti. Není proto divu, že se Spojené státy poohlížejí po domácích zdrojích, aby se nemusely spoléhat na zahraniční subjekty. Nová studie ukazuje, že v odpadních vodách by mohlo být dostatek lithia na pokrytí až 40 % poptávky země.

Mezi největší producenty lithia patří Austrálie a Chile, nicméně více než polovinou veškeré kapacity pro jeho rafinaci na specializované chemikálie pro baterie disponuje Čína. Dochází tak k tomu, že se lithium extrahuje v Chile, odkud se převáží do Číny, kde se zpracovává a následně putuje do Spojených států, kde se používá k výrobě baterií.

Spojené státy, které v současné době spoléhají na dovoz z Argentiny, Chile a Číny, mají v úmyslu dodavatelský řetězec zjednodušit. Americký dvoustranný zákon o infrastruktuře vyžaduje, aby suroviny pro baterie elektromobilů byly do roku 2030 pořizovány z domácích zdrojů. Navíc se očekává, že by se kvůli dekarbonizaci mohla globální poptávka po kritickém kovu zvýšit až o 400 %. Kvůli tomu je třeba nalézt alternativní domácí zdroje lithia, které by usnadnily energetický přechod.

Jako slibný se v tomto ohledu ukázal výzkum amerických vědců, kteří zkoumali možnosti extrakce lithia z odpadní vody. Z jejich práce vyplývá, že lithium získané z vrtů břidlicového plynu v těžební oblasti Marcellus Shale v Pensylvánii, by mohlo pokrýt značnou část poptávky země po této surovině. "Téměř 40% domácí potřeby lithia naší země je možné nalézt právě zde jako vedlejší produkt frakování," řekl Guy Reschenthaler, člen Republikánské strany. Tedy za předpokladu, že by se z ní podařilo získat 100 % lithia a jeho extrakce by se ekonomicky vyplatila.

Nalezení lithia v odpadních vodách v Marcellusu nebylo překvapením. Výzkumníci analyzovali vodu z hydraulického štěpení a věděli, že je zdejší břidlice na tento prvek bohatá. Dosud ale neměli informace o tom, jaké skutečné množství lithia v odpadních vodách je. Své nové výsledky zveřejnili v časopise Scientific Reports.

Podle Justina Mackeyho, výzkumníka z National Energy Technology Laboratory, dokáží vědci v laboratoři extrahovat lithium z vody s více než 90 % účinností.

Metody extrakce

I jiný mezioborový tým amerických inženýrů a vědců vyvíjí již konkrétní metodu k extrakci lithia z kontaminované vody, například právě z vody z ropných vrtů. V současné době se lithium nejčastěji získává ze slané vody v Jižní Americe solárním odpařováním, což je nákladný proces, který může trvat několik let. V tomto procesu se navíc ztratí velké množství lithia.

Výzkumné týmy z University of Texas v Austinu a University of California v Santa Barbara navrhly membránu, která dokáže přesně oddělit lithium od jiných iontů, jako je sodík, čímž se výrazně zvýší účinnost shromažďování kýžených prvků. Vědci uvedli, že například voda z hydraulického štěpení břidlic Eagle Ford v Texasu by dokázala za jediný týden vyrobit dostatek lithia pro 300 baterií elektrických vozidel nebo 1,7 milionu smartphonů.

Jádrem tohoto objevu je nová polymerní membrána vyrobená vědci pomocí korunového etheru, což je ligand se specifickou chemickou funkcí a může vázat některé ionty. Korunní ethery nebyly dříve používány ani studovány jako součást membrány pro úpravu vody, ale mohou být klíčovou součástí extrakce lithia, specifické molekuly ve vodě.

Ve většině polymerů sodík prochází membránou rychleji než lithium. V těchto nových materiálech se však lithium pohybuje rychleji než sodík, což je běžná znečišťující látka v solance obsahující lithium. Prostřednictvím počítačového modelování tým zjistil, proč se to stalo. Sodné ionty se kombinují s korunními ethery, aby je zpomalily, zatímco lithné ionty zůstávají nevázané, což jim umožňuje rychlejší průchod polymerem.

Tato zjištění představují novou hranici v oblasti membránové vědy a vyžadují komplexní spolupráci mezi univerzitami v oblasti polymerní syntézy, membránové charakterizace a modelování a simulace. Výzkum byl podpořen střediskem materiálů pro vodní a energetický systém, výzkumným střediskem UT Austin na hranicích energií financovaným americkým ministerstvem energetiky

Příliš drahé pro komerční využití

Inovativní metody přímé extrakce lithia (v anglické zkratce DLE), např. kuličky přitahující lithium nebo selektivní filtrační membrány, umožňují získat lithium z roztoku účinněji než tradiční odpařovací procesy. Ačkoliv se těžební společnosti zabývají DLE již řadu let, stávajícím metodám začaly konkurovat teprve nedávno. DLE má potenciál způsobit revoluci v oblasti lithia tím, že umožní přístup k novým zdrojům dodávek, včetně odpadních vod z ropných polí. Navzdory technickým problémům se předpokládá, že do roku 2035 se produkce lithia pomocí DLE zvýší na 15 % celkové výroby. Poradenská společnost Benchmark Mineral Intelligence uvádí, že v letos bylo v provozu pouhých 13 projektů DLE, např. společností Eramet SA a Rio Tinto.

Technologie DLE je ale náročná kvůli nejistým výsledkům a vysokým investičním nákladům. Míra výtěžnosti lithia může být nízká. Společnosti mohou v pilotních závodech dosáhnout vysokého stupně výtěžnosti, ale v komerčním měřítku tento stupeň klesá.

Společnosti rozvíjející alternativní způsoby těžby uvádí, že při adsorpci se spotřebuje přibližně 1 litr sladké vody na 1-10 miligramů vyrobeného ekvivalentu uhličitanu lithného (LCE). Konkrétní množství potřebné vody, ale vždy záleží na specifikách konkrétního naleziště.

Vědecký tým z Pacific Northwest National Laboratory (PNNL), spadající pod americké ministerstvo energetiky, nyní testuje také metodu, jež k extrakci důležitých látek z různých vodních zdrojů využívá magnetické nanočástice. V centru jejich pozornosti je především lithium.

Výzkumníci z PNNL při něm chtějí využít vlastností magnetických nanočástic, jež jsou obklopeny adsorbentním pláštěm. Ten se na lithium a další kovy přítomné v odpadní vodě přichytí.

Američtí vědci chtějí využít poznatků, podle nichž se po použití magnetu jádro inkriminovaných nanočástic chová jako klasické železné piliny. Ty migrují směrem k magnetu spolu s materiálem, ke kterému jsou vázány, díky čemuž je pak lze filtrovat. Jejich technologie nabízí slibnou alternativu ke konvenčním metodám těžby, jež čerpají podzemní vodu do velkých nádrží, aby se zde postupně odpařila. Tento proces však trvá měsíce, nebo dokonce i roky.

"Současné přístupy k extrakci lithia z vody jsou energeticky náročné a drahé. Náš nanotechnologický proces umožňuje vše miniaturizovat a odstraňuje potřebu masivních separátorů, které vyžadují klasické metody. Během několika minut bylo prakticky všechno lithium z roztoku pomocí molekulárního srážení s naším sorbentem vytaženo a následně i očištěno," vysvětlil odborný pracovník Pete McGrail z PNNL.

Získat aspoň 25 procent

Vědci jsou přesvědčeni, že pokud by se jim podařilo shromáždit pouhých 25 procent veškerého lithia přítomného v odpadních či podzemních vodách, pak by se takové množství vyrovnalo jeho aktuální celosvětové roční produkci. Díky charakteru celého procesu se navíc očekává, že výsledný koncentrát bude mít čistější formu, čímž se sníží náklady na další zpracování, a to v konečném zúčtování až o polovinu.

Zásluhou úzké spolupráce vědeckého týmu se společností Moselle Technologies by se celá technologie mohla již brzy objevit v praxi, firma ji plánuje vyzkoušet hned na několika místech. Kromě lithia si navíc výzkumníci z PNNL pohrávají s myšlenkou přizpůsobit nanočástice tak, aby se jejich plášť mohl zaměřit i na další komerčně cenné a strategicky důležité prvky používané v energetickém či lékařském sektoru.