Trong hóa học, một số hợp chất bền vững đến mức gần như không bị phân hủy trong môi trường được gọi là “vĩnh cửu”. Nhóm chất perfluoroalkyl và polyfluoroalkyl (PFAS) là ví dụ điển hình. Những hợp chất này tồn tại lâu dài trong đất và nước, gây ô nhiễm nguồn nước uống và từ lâu đã bị xem là mối đe dọa môi trường nghiêm trọng.

Nhóm nghiên cứu tại Đại học Rice (Mỹ) do nhà hóa học James Tour và nhà nghiên cứu Yi Cheng dẫn đầu mới đây đã tìm ra cách biến những hợp chất gây ô nhiễm này thành một công cụ công nghệ cao, có khả năng chiết xuất lithium có độ tinh khiết tới 99%.

Quy trình chiết xuất lithium từ chất thải PFAS

Trong nghiên cứu mới, các nhà khoa học tận dụng PFAS đã qua sử dụng để chiết xuất lithium từ các nguồn nước muối có độ mặn cao. Đây được đánh giá là một giải pháp vừa xử lý chất thải, vừa bổ sung nguồn cung cho chuỗi sản xuất pin.

“Chiết xuất lithium từ nước muối có thể ít gây tác động môi trường hơn so với phương pháp khai thác truyền thống, nhưng vẫn gặp thách thức về tính chọn lọc, chi phí và lượng nước sử dụng. Chúng tôi nhận ra có thể tận dụng lượng flo bị ‘khóa’ trong PFAS để thu hồi lithium theo cách nhanh hơn và ít gây ảnh hưởng hơn”, Yi Cheng, tác giả chính của nghiên cứu, cho biết.

Quy trình bắt đầu với than hoạt tính đã qua sử dụng, loại vật liệu vốn thường dùng để lọc PFAS khỏi bọt chữa cháy hoặc nguồn nước. Sau khi bão hòa PFAS, loại than này thường bị xem là chất thải nguy hại và cần xử lý đặc biệt.

Thay vì loại bỏ, nhóm nghiên cứu coi đây là nguồn chứa flo có giá trị. Trong thí nghiệm, than hoạt tính bão hòa PFAS được trộn với nước muối có độ mặn cao, tạo ra môi trường phản ứng đặc biệt. Tại đây, các anion flo bị “khóa” trong PFAS có thể được giải phóng để liên kết với các ion lithium có trong nước muối.

“Lithium tồn tại trong nước muối dưới dạng cation, trong khi than đã qua sử dụng chứa flo, một anion, bị khóa trong các phân tử PFAS. Chúng tôi muốn giải phóng flo này và ghép nó với lithium để tạo thành lithium fluoride, từ đó có thể thu hồi loại muối này”, Cheng giải thích.

Để phá vỡ các liên kết carbon–flo cực kỳ bền vững trong PFAS, nhóm nghiên cứu sử dụng kỹ thuật Gia nhiệt Joule tức thời (Flash Joule Heating). Phương pháp này tạo ra một xung năng lượng mạnh, làm nhiệt độ tăng vọt lên hơn 1.000°C chỉ trong vài phần nghìn giây.

Nhiệt độ cực cao khiến các liên kết trong PFAS bị phá vỡ, giải phóng các nguyên tử flo. Những nguyên tử này sau đó kết hợp với lithium trong nước muối, tạo thành hợp chất lithium fluoride.

Sau khi lithium được chuyển thành lithium fluoride, bước tiếp theo là tách nó khỏi hỗn hợp các khoáng chất khác trong nước muối như canxi, magie và kali.

Thiết bị gia nhiệt Joule tức thời được sử dụng để làm nóng trong thí nghiệm này.

Nhóm nghiên cứu tiếp tục gia nhiệt hỗn hợp trong khoảng nhiệt độ từ 1.676°C đến 2.260°C. Ở mức nhiệt này, lithium fluoride sẽ bay hơi, trong khi các hợp chất nặng hơn như magie fluoride và canxi fluoride vẫn ở dạng rắn. Quá trình chưng cất nhanh này cho phép thu hồi lithium với độ tinh khiết tới 99%, đạt tỷ lệ thu hồi khoảng 82% chỉ trong vài giây.

Đáng chú ý, lithium fluoride thu được đã được thử nghiệm trong pin lithium-ion thực tế. Khi tích hợp vào chất điện phân tiêu chuẩn của pin, vật liệu tái chế này cho thấy khả năng cải thiện độ ổn định và hiệu suất của pin so với vật liệu thông thường.

Giải pháp “hai trong một” cho môi trường

Hiện nay, nhiều phương pháp khai thác lithium từ nước muối vẫn chưa thực sự bền vững. Chúng thường cần các hồ nước bay hơi khổng lồ để phơi nước muối dưới ánh nắng trong nhiều tháng, tiêu tốn lượng nước khổng lồ, nhất là tại những khu vực vốn khan hiếm nước.

Ngược lại, phương pháp của Đại học Rice chỉ mất vài phút thay vì nhiều tháng, đồng thời tiêu thụ ít nước và năng lượng hơn đáng kể so với kỹ thuật khai thác truyền thống.

Cách tiếp cận này được xem là giải pháp “hai trong một” khi vừa xử lý các “hóa chất vĩnh cửu” gây ô nhiễm môi trường, vừa tạo ra nguồn lithium chất lượng cao phục vụ ngành công nghiệp pin đang phát triển nhanh chóng.

Kết quả nghiên cứu đã được công bố trên tạp chí khoa học Nature Water.