Đây là kết luận từ một nghiên cứu được công bố ngày 23/5 trên tạp chí Science Advances. Phát hiện này có ý nghĩa quan trọng đối với công nghệ khai thác lithium cũng như việc đánh giá và quản lý nước thải.
Lithium là một khoáng sản cực kỳ quan trọng trong ngành năng lượng tái tạo. Khoảng 40% sản lượng lithium toàn cầu đến từ các chảo muối khổng lồ, được gọi là salar, ở dãy núi Andes trung tâm Nam Mỹ và cao nguyên Tây Tạng ở châu Á. Tại những vùng khô cằn, có độ cao lớn này, lithium tồn tại dưới các lớp muối bề mặt, hòa tan trong một loại nước cực kỳ mặn gọi là nước muối cô đặc (brine).
"Chúng tôi phát hiện ra rằng độ pH của nước muối khoáng ở những khu vực này gần như hoàn toàn do boron quyết định, không giống như nước biển và các loại nước mặn thông thường khác. Đây là một bức tranh địa hóa hoàn toàn khác biệt, giống như nghiên cứu một hành tinh ngoài Trái Đất vậy", Avner Vengosh, giáo sư về chất lượng môi trường và Trưởng Khoa Khoa học Trái Đất và Khí hậu tại Trường Môi trường Nicholas thuộc Đại học Duke, người giám sát nghiên cứu, cho biết.
Độ pH của một dung dịch là thước đo tính axit hoặc kiềm của nó. Trong hầu hết các vùng nước tự nhiên, các phản ứng hóa học liên quan đến một phân tử gọi là cacbonat chủ yếu chi phối khả năng kiểm soát sự thay đổi độ pH của dung dịch - một thước đo được gọi là độ kiềm. Nhưng nhóm nghiên cứu của Duke đã khám phá ra một kịch bản hoàn toàn khác tại Salar de Uyuni, một chảo muối khổng lồ nằm trên cao nguyên Bolivia, nơi có trữ lượng nước muối khoáng lithium lớn nhất thế giới được biết đến.
Các nhà nghiên cứu đã phân tích độ pH và thành phần hóa học của nước muối khoáng và các loại muối liên quan đến một hoạt động khai thác thử nghiệm tại Salar de Uyuni. Khai thác lithium từ các chảo muối theo phương pháp truyền thống bao gồm việc bơm nước muối tự nhiên từ dưới lòng đất lên một loạt các ao cạn trên mặt đất. Nước sẽ bay hơi dần qua các ao, để lại nước muối ngày càng cô đặc chứa lithium và boron, cùng với các loại muối không mong muốn. Cuối cùng, lithium được chiết xuất tại một cơ sở xử lý.
Nhóm nghiên cứu phát hiện ra rằng độ pH trong các mẫu nước muối tự nhiên từ salar dao động quanh mức trung tính. Ngược lại, các mẫu nước muối từ các ao bay hơi lại có tính axit cao. Mô hình máy tính cho thấy nồng độ boron cao là yếu tố chính quyết định độ pH trong cả hai trường hợp.
Cụ thể, nước muối tự nhiên chứa hàm lượng boron cao ở nhiều dạng khác nhau - bao gồm phân tử axit boric và các hợp chất gọi là borat - mà sự phân bố tương đối của chúng kiểm soát độ pH. Sự bay hơi trong các ao làm tăng nồng độ boron tổng thể và kích hoạt sự phân hủy axit boric, tạo ra các ion hydro làm giảm độ pH.
"Thông qua một chuỗi các phản ứng địa hóa, độ kiềm cacbonat bị suy giảm trong nước muối từ Salar de Uyuni, trong khi độ kiềm boron trở nên chiếm ưu thế," tác giả chính Gordon Williams, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Vengosh, cho biết.
"Việc tích hợp phân tích hóa học với mô hình địa hóa đã giúp chúng tôi định lượng các cấu trúc phân tử khác nhau của boron góp phần vào độ kiềm trong các loại nước muối lithium này," Paz Nativ, một nhà nghiên cứu sau tiến sĩ tại Phòng thí nghiệm Vengosh, bổ sung.
Để củng cố phát hiện của mình, nhóm đã thu thập dữ liệu từ hơn 300 mẫu phân tích nước muối giàu lithium từ nhiều chảo muối khác nhau, bao gồm ở Chile, Argentina và Bolivia - khu vực được gọi chung là Tam giác Lithium - và cao nguyên Tây Tạng. Mô hình hóa cho thấy boron cũng có ảnh hưởng lớn nhất đến độ kiềm, và do đó là độ pH, ở hầu hết các loại nước muối này.
"Ngoài dữ liệu mới mà chúng tôi tạo ra, chúng tôi đã biên soạn một cơ sở dữ liệu địa hóa về nước muối lithium từ khắp nơi trên thế giới và liên tục phát hiện ra rằng boron thường là thành phần chủ yếu trong độ kiềm của nước muối và kiểm soát độ pH của nước muối, củng cố kết quả từ Salar de Uyuni ở Bolivia", Williams giải thích.
Theo các nhà nghiên cứu, đây là công trình đầu tiên chứng minh vai trò của boron trong việc kiểm soát những thay đổi hóa học xảy ra trong quá trình bay hơi nước muối lithium ở các chảo muối. Họ cho biết thêm, những phát hiện này có thể cung cấp thông tin cho các công nghệ khai thác lithium trong tương lai khi các nhà vận hành tìm cách chiết xuất lithium hiệu quả hơn và quản lý nước thải một cách an toàn.
