Lako do litija (i bez uništavanja okoliša)

„Nijedna gospodarska djelatnost nije tako unosna kao rudarstvo“, napisao je još u 16. stoljeću njemački liječnik i mineralog Georg Bauer alias Georgius Agricola u knjizi De re metallica (1556.). No, da se povedenom za mišlju drugoga Nijemca, Karla Marxa („Kapitalu ništa nije sveto“), rudno se bogatstvo iskorištava nemilice, ne misleći na okoliš. Stoga nas negodovanje protiv rudarenja litija u Srbiji ne treba čuditi, jer kako god da se okrene, rudarenje znači pretvaranje planina u kamenolome, planinarskih staza u prašnjave putove za bučne kamione, pjev ptica i žubor potoka u buku bagera i praskanje mina. Još gore, biljni se pokrov nakon prestanka eksploatacije može koliko-toliko obnoviti, no stijene se ne mogu vratiti u početno stanje. Kao član udruge za zaštitu geološke baštine ProGEO-Hrvatska vidio sam mnoga vrijedna geološka nalazišta posve uništena, a s njima su u nepovrat otišli tragovi naše kako bliže tako i dalje geološke prošlosti. A sve to zbog ekonomske, često posve neznatne koristi.

Ipak, nije sve tako crno. U posljednje se vrijeme sve više nastoji da se rudna bogatstva iskorištavaju uz što manji utjecaj na okoliš. Tako je to i s litijem, metalom koji – unatoč općem mišljenju – uopće nije rijedak. U toni stijena ima ga prosječno 30 grama (30 ppm), pa je stoga deset puta rasprostranjeniji od kositra, a dvaput više od olova. No, tu je zamka. Stijene s toliko malim udjelom litija ne isplati se rudno iskorištavati, a one s većim udjelom rijetko se nalaze.

Rješenje je u iskorištavanju podzemnih otežanih voda (brine) bogatih litijem, jer tu ne treba ništa kopati nego samo crpkom crpiti. Štoviše, za dobivanje litija mogla bi se koristiti i morska voda jer i u njoj ga ima – 0,178 grama po toni. Malo ili mnogo? Sve ovisi o tehnologiji, jer samo ona određuje što se ekonomski isplati, a što ne.

Možda će se i isplatiti sudeći po novom tehnološkom postupku objavljenom u časopisu Matter. Riječ je o znanstvenom radu kineskih znanstvenika „Continuous lithium extraction from brine by efficient redox-couple electrodialysis“. Sve piše u naslovu, a još se više vidi na slici. No, počnimo redom.

Na prvi pogled riječ je o elektrolizi vode, dakle o ničemu revolucionarnom. Pod djelovanjem električnog polja, kationi putuju prema katodi no na njihovom se putu ispriječila ion-selektivna membrana (LISICON) koja propušta samo ione litija (Li⁺) dok zadržava ione natrija (Na⁺) i kalija (K⁺). Litijevi ioni se zadržavaju u katodnom prostoru dok se na katodi oslobađa vodik: 2H₂O + 2e^– → H₂ + 2OH^– (elektroliza vode). Hidroksidni ioni (OH^–) nastali tim procesom putuju prema anodi. No na anodi – tu je kvaka! – od njih ne nastaje kisik, kao kod elektrolize vode (4OH^– → O₂ + 2H₂O + 4e^–). Umjesto toga događa se obrnuta reakcija od reakcije na katodi (H₂ + 2OH^– → 2H₂O + 2e^–) pri čemu se vodik (H₂), koji stiže sa katode, oksidira u vodu. Drugim riječima katodna polovica uređaja služi kao elektrolizer, a anodna polovica kao gorivna ćelija. Zašto je to potrebno?

Odgovor je jednostavan: zbog uštede energije. Budući da je riječ o dvama istovjetnim, no suprotnim elektrokemijskim procesima, teorijski napon potreban za odvijanje opisanog tehnološkog postupka jednak je nuli (anodni dio ćelije daje energiju za odvijanje procesa u njezinom katodnom dijelu). Sav napon, pa stoga i energija potrebna za odvijanje procesa RCE (redox-couple electrodialysis), proizlazi iz unutrašnjeg otpora ćelije, a on iznosi samo 0,25 V.

Teorija se potvrdila u praksi. Zahvaljujući ion-selektivnoj membrani, kineski su znanstvenici uspjeli izdvojiti gotovo 75 % litija iz slane, otežane vode i pritom postići njegovu koncentraciju u katodnom prostoru od 55 ppm, a da pritom nisu propušteni natrijevi ioni. Drugim riječima, dobili su otopinu litijeva hidroksida (LiOH) koju treba potom koncentrirati (najbolje isparavanjem na suncu), a zatim dodatkom natrijeva karbonata (sode) prevesti u litijev karbonat, Li₂CO₃.

Kada se računica dovede do kraja, proizlazi da za proizvodnju kilogram litija treba utrošiti samo 1,1 kWh električne energije, koja se – razumije se – može dobivati iz obnovljivih izvora. Cijena tone proizvedenog litija iznosila bi 4.410 USD, što je dvostruko manje od cijene tehnološkog postupka kojim se danas proizvodi (9.119 USD).

Nenad Raos je kemičar, znanstveni savjetnik u trajnome zvanju, koji je radio do umirovljenja 2016. godine u zagrebačkom Institutu za medicinska istraživanja i medicinu rada (IMI). Autor je i koautor oko 200 znanstvenih i stručnih radova iz područja teorijske (računalne) kemije, kemije kompleksnih spojeva, bioanorganske kemije i povijesti znanosti. Bio je pročelnik Sekcije za izobrazbu Hrvatskog kemijskog društva, glavni urednik časopisa Priroda ta urednik rubrike Kemija u nastavi u časopisu Kemija u industriji. Još od studentskih dana bavi se popularizacijom znanosti. Autor je oko 3000 znanstveno-popularnih članaka i 16 znanstveno-popularnih knjiga. Posljednje dvije su „Kemičar u kući – kemija svakodnevnog života“ i „Antologija hrvatske popularizacije prirodnih znanosti“.