Formulación de membranas basadas en nanopartículas basadas en óxidos de manganeso con aplicaciones en extracción sustentable de litio

ARRUA, EVA CAROLINA; FLEXER, VICTORIA

Workshop; 1er Workshop de polímeros y nanomateriales para la industria energética; 2022

Los compuestos de litio se han aplicado ampliamente en campos comerciales debido a sus excelentes propiedades físicas y químicas, y la demanda de litio se ha acelerado rápidamente en los últimos años1. Específicamente en la última década, la demanda de litio se ha incrementado considerablemente debido a su uso en la industria de las baterías de litio-ion y se espera un aumento de la demanda de sales de litio mucho mayor en los próximos años2. La mayor proporción del carbonato de litio y la totalidad de cloruro de litio proviene de las salmueras (de los salares), que adicionalmente es la vía más económica. La metodología actual para extraer litio a partir de salmueras se denomina proceso evaporítico: las salmueras se vuelcan en grandes piletones (conocidos como pozas de evaporación) a cielo abierto donde diferentes sales precipitaran por la concentración de la salmuera debido a la acción de la radiación solar y el viento. La salmuera concentrada en Li+ es bombeada a la planta de recuperación, donde el Li+ será precipitado como Li2CO3 por agregado de Na2CO3. Una de las principales desventajas de este método es la duración del proceso de evaporación (lo que depende de la cantidad de radiación solar, la humedad, el viento y la temperatura, condiciones que varían ampliamente tanto interanualmente, como entre diferentes depósitos) demorando hasta 24 meses, es decir, es un proceso extremadamente lento. Por otro lado, las tasas de eficiencia y recuperación dependen en gran medida de la composición general de la salmuera, en este sentido, del contenido total de Li+ en la misma se estima que solo se puede recuperar entre un 50 y 70%. Adicionalmente, la extracción de litio de salmueras es intensiva en químicos y entrega importantes volúmenes de desechos, lo que genera grandes preocupaciones medioambientales. Estudios recientes han propuesto el uso de materiales basados en óxidos de manganeso altamente selectivos a litio, también se encontró que la reducción del tamaño de las partículas es sustancial para lograr el pleno aprovechamiento del material y la capacidad de adsorción de litio3. A partir de esto, el objetivo de este proyecto fue sintetizar, caracterizar y evaluar la performance de nanopartículas basadas en óxidos de manganeso y su incorporación en membranas con aplicaciones tecnológicas eficientes y sustentables en torno a la recuperación de sales de litio a partir de salmueras. Se compararon dos metodologías de síntesis de óxidos de litio y manganeso (síntesis seca y síntesis hidrotermal), evaluando las nanopartículas obtenidas mediante difracción de rayos X y microscopía electrónica de barrido. La capacidad de adsorción de litio fue estudiada a través de cinéticas de adsorción, variando la concentración absoluta de Li+ en la solución, y las concentraciones relativas de otros cationes respecto a Li+. Se logró controlar el tamaño de partícula de los sistemas formulados y se comprobó elevada capacidad de adsorción de Li+ por parte de las nanopartículas. Posteriormente, las nanopartículas fueron incorporadas en membranas poliméricas de poliacrilonitrilo y polietilenglicol y se evaluó la afinidad al Li+. Se comprobó una alta selectividad para Li+ frente a los otros cationes habitualmente presentes en salmueras (Na+, K+, Mg2+, Ca2+) a distintas concentraciones relativas de los mismos, respecto a Li+. Los sistemas mostraron alta ciclabilidad (adsorción/desorción de Li+) y una elevada estabilidad en las condiciones de trabajo.