Энергия метаболизма бактерий заменила внешний источник тока
Японские материаловеды смогли извлечь литий из морской воды с помощью бактерий и оксида марганца. Бактерии окисляют лактат, а полученные электроны частично восстанавливают ионы марганца в оксиде. Чтобы компенсировать заряд, материал захватывает из раствора ионы лития, который потом можно легко извлечь. Технология может стать экономически выгодной и позволит сократить расход воды. Результаты опубликованы в журнале Nature Communications.
Потребность в литии год от года растет, и к 2040 может достигнуть миллиона тонн в год. Получать столько лития непросто: этот металл не образует самостоятельных месторождений, а большинство его соединений хорошо растворимо. Большую часть лития сегодня выделяют из глин солончаков. Сначала литиевые соли вымывают водой, затем рассол выпаривают на солнце в течение нескольких недель. После этого добавляют карбонат натрия, чтобы осадить литий в виде карбоната или гидроксида. Это сложная процедура, эффективность которой зависит от погодных условий. Кроме того, полученный литий надо очищать от других металлов, в частности, от натрия, калия и магния.
Альтернативный способ получения лития из морской воды предложили японские ученые под руководством Акихиры Окамото (Akihiro Okamoto) из Национального института наук о материалах в Цукубе. Для извлечения лития они использовали наночастицы оксида марганца (IV) со структурой шпинели. Кристаллическая структура шпинели пронизана системой узких каналов, которые пропускают небольшие ионы лития, но не пропускают более крупные ионы натрия и калия. На наночастицы нанесли пленки грамотрицательных бактерий Shewanella, которые распространены в почве, грунтовой и морской воде. Ученые уже давно знают, что эти бактерии способны получать электроны, окисляя разные органические вещества. При контакте с оксидом электроны частично восстанавливают ионы марганца в нем. Чтобы компенсировать возникший отрицательный заряд и сохранить электронейтральность, материал начинает захватывать из раствора положительно заряженные ионы лития, которые встраиваются в его кристаллическую структуру. В результате каждая частица оксида работает как полноценная электрохимическая ячейка, только вместо источника тока в ней используется энергия метаболизма бактерий.
Авторы проводили эксперименты с модельными растворами и настоящей морской водой. В некоторых экспериментах для питания бактерий в воду добавляли лактат. После оптимизации условий удалось извлечь 95 процентов всего растворенного лития, при этом доля примесей не превышала 1 процент. Накопленный литий вымывали слабокислым раствором, получая концентрированный раствор солей, пригодный для использования. Авторы отметили, что кристаллическая решетка оксида марганца практически не разрушается и после извлечения лития его можно регенерировать и использовать повторно.
Метод можно использовать для получения лития из морской воды и традиционных глин. По расчетам авторов, стоимость промышленного получения карбоната лития составит около чуть более 6 долларов за килограмм. Это сопоставимо с современными технологиями выпаривания рассолов и остается ниже нынешней рыночной цены карбоната лития. Слабое место технологии — стадия повторного окисления оксида марганца, необходимая для его регенерации. Пока что она требует больших расходов энергии. Главным преимуществом авторы считают меньший расход воды. При выпаривании расход воды велик, значительная часть ее безвозвратно теряется в испарительных бассейнах. По расчетам авторов, водный след процесса будет всего 0,44 кубического метра на килограмм карбоната лития, что существенно ниже, чем у классических методов добычи.
Бактерии Shewanella не впервые становятся частью электрохимической ячейки. Например, эта разновидность бактерий нередко входит в состав микробных топливных элементов: в этом случае полученные электроды не используются для восстановления металла, а передаются на анод, а затем в цепь. Об одном из первых подобных элементов мы рассказывали в 2021 году.