El Litio es uno de los metales más ligeros que se conocen, pero de una importancia cada vez más fuerte en la industria y la sociedad. Es uno de los metales que más se emplean en la fabricación de baterías y tiene poco repuesto; sus características electrónicas hacen que sea difícil sustituirlo por otro.
El problema fundamental que tiene su uso es su escasez: como de momento no lo usamos mucho, no hay escasez. Pero varios cálculos indican que si se pretendiera escalar la producción de Li para la fabricación de baterías, habría problemas para satisfacer la demanda de este metal mediante las minas conocidas y disponibles, como las famosas minas de sal de Bolivia(1). Sin embargo, unos investigadores han encontrado la forma de extraerlo del agua de mar de manera económicamente factible si se acopla esa extracción con otras industrias extractivas.
Comienzan su artículo indicando que la cantidad estimada de Li en el mar es unas 5.000 veces más grande que en tierra, pero con un gravísimo inconveniente. Su concentración es muy baja, del orden de 0,2 ppm(2). Al mismo tiempo, otros iones presentes en el mar tiene concentraciones mucho más altas. Como ejemplo, la concentración de sodio, calcio y otros iones es mayor que 13.000 ppm.
Revisando los posibles métodos de separar el Li en el mar, los autores del artículo presentan varias posibilidades de absorbentes para después de unir el Litio al absorbente, precipitar este compuesto para obtener el Litio. Sin embargo, según los autores del artículo, los absorbentes tienen el grave inconveniente de que hay que sustituirlos en el tiempo por que se consumen en la absorción. Por ello ellos decidieron seguir el camino de precipitar sales de litio, concretamente la sal Li3Po4, ayudadas por una corriente eléctrica y una membrana. Es decir, primero se trata de concentrar el Li en el agua de mar mediante el paso del agua por la membrana y luego precipitar el Litio al cambiar el Ph de la solución de manera que precipite una sal.
El truco consistió en emplear una membrana cristalina densa de Litio, Lantano y Óxido de Titanio (TiO3), que abrevian como LLTO. Para las pruebas que hicieron, la membrana tenía un diámetro de ~20 mm y un ancho de aproximadamente 55 µm. El ancho de la membrana no es casual, porque la selectividad de la misma para con el litio depende de la misma. De hecho, según refieren los autores en el artículo, el ancho de su membrana es unas 10 veces menos que otros experimentos similares, lo que ayudó sobremanera a sus resultados.
Como es frecuente en estructuras cristalinas, la alta selectividad del Litio por parte de la membrana se debe a la estructura del cristal, que tiene el tamaño justo para dejar pasar sólo estos iones. Como son de los más pequeños que contiene el agua de mar con un diámetro de 1,18 angstroms(3), son los únicos que pueden atravesar la membrana con facilidad.
El uso de este tipo de membranas también tiene sus problemas, porque se pueden corroer y estropear, aunque más que por oxidación directa, por «reducción». Es decir, en lugar de ceder electrones al ambiente los absorbe, de forma que también tiene que cambiar su composición química para compensar la carga negativa extra(4). Por ello, tuvieron que generar un entorno ácido cerca del cátodo, el electrodo negativo. El esquema del experimento se presenta en la figura siguiente.
Con esta celda lograron concentrar la cantidad de litio hasta un nivel final de 9.000 ppm en cinco etapas sucesivas, cada una con una duración de 20 horas. Mediante este sistema de funcionamiento en etapas, se podría pensar en usar una etapa inicial como líquido a concentrar en la siguiente etapa, de manera que el proceso final sea uno de cascadas sucesivas de concentración de Litio que pueden ser construidas y diseñadas con relativa facilidad. Y además pudieron comprobar, como indica la siguiente tabla, que la concentración de otros iones permanecía muy baja después de la primera etapa, lo que indica una muy alta selectividad del metal que se desea, litio.
| Li (ppm) | Na (ppm) | K (ppm) | Mg (ppm) | Ca (ppm) | |
| Agua de mar | 0.21 +- 0,01 | 12.400 +- 100 | 750 +- 30 | 1560 +- 20 | 480 +- 7 |
| Primera etapa | 75 +- 1 | 270 +- 6 | 5,8 +- 0,2 | 1,37 +- 0,02 | 0,54 +- 0,02 |
| Quinta etapa | 9.000 +- 100 | 300 +- 7 | 7,7 +- 0,2 | 1,48 +- 0,004 | 0,56 +- 0,02 |
En el siguiente párrafo del artículo comienzan resumiendo las características eléctricas del proceso, indicando que se producen a corrientes estables durante todo el proceso de concentración, excepto por un aumento de la corriente inicial debido a que algunos iones se fijan en los electrodos y la membrana. Este detalle, junto con la disminución en el tiempo de la corriente en la quinta etapa de concentración y algunos detalles del experimento, les permite a los autores deducir que la concentración de litio en las cuatro primera etapas depende sobre todo de la concentración en el agua circulante, antes que de la diferencia de la concentración de iones Li entre los dos lados de la membrana LLTO.
Por otra parte, comprobaron como después de la etapa de precipitación para obtener la sal Li3PO4, el producto final es lo suficientemente bueno como para entrar directamente en la producción de baterías. Este resultado se mantiene si sólo se hacen cuatro etapas de concentración, pero no con tres.
Después, y dado que su proceso es tan eficiente y selectivo, estiman el coste energético para obtener un kilo de Litio en unos 77 kW h. Haciendo unos cálculos básicos sobre el coste de la electricidad en los Estados Unidos y el precio que se podrían obtener de otros subproductos de esta reacción, principalmente Hidrógeno y Cloro, concluyen que el costo energético de todo el proceso se compensa de sobra con la venta de los subproductos, sin tener en cuanta que también producen agua potable, de manera que su economía mejoraría más.
Después de comentar todas las características de sus resultados el artículo tiene una sección dedicada a explicaciones detalladas del método experimental que hay que seguir, pero considero que esa sección no es relevante y no la comento aquí.
Por lo tanto, el artículo muestra una vía de producción de litio que permitiría multiplicar de manera considerable la cantidad disponible para la humanidad de este material, de forma que hace más sencillo la adopción masiva de baterías necesaria si queremos hacer la transición a una sociedad que base su consumo energético en energías renovables.
El artículo se publicó en la revista Energy & Environmental Science, vol. 5: Continuous electrical pumping membrane process for seawater lithium mining.
Notas:
(1) La zona con Litio de Bolivia forma parte del «Triángulo del Litio», la región del mundo con mayores reservas. El artículo de la Wikipedia lo explica muy bien: Wiki(ESP): Triángulo del Litio
(2) ppm: partes pro millón.
(3) 1 angstrom es 10-10 m. Como los tamaños de los iones o núcleos atómicos son tan pequeños, es la unidad estándar para poder medir estos diámetros.
(4) Los ácidos y las bases son las dos formas principales de concentración de iones hidrógeno de los compuestos químicos. De los dos artículos de la Wikipedia sobre el tema, es de la Wikipedia en español es bastante corto, pero el de la Wikipedia en inglés es muy bueno: Wiki(ESP):Ácido y base. Wiki(ENG): Acid-base reaction. Por otra parte, la explicación de la Wikipedia en español sobre la reducción química es corta, pero muy bien escrita: Wiki(ESP):Reducción.