27.09.2022 - Pacific Northwest National Laboratory

Einfaches Verfahren extrahiert wertvolles Magnesiumsalz aus Meerwasser

Bei dieser neuen Methode wird ein alter Prozess durch einen neuen Trick ersetzt

Seit der Antike haben die Menschen Salze, wie z. B. Kochsalz, aus dem Meer gewonnen. Während Kochsalz am einfachsten zu gewinnen ist, ist Meerwasser eine reichhaltige Quelle für verschiedene Mineralien, und Forscher erforschen, welche sie aus dem Meer gewinnen können. Ein solches Mineral, Magnesium, ist im Meer reichlich vorhanden und wird auch an Land immer nützlicher.

Magnesium hat neue Anwendungen im Bereich der Nachhaltigkeit, unter anderem in der Kohlenstoffabscheidung, in kohlenstoffarmem Zement und in potenziellen Batterien der nächsten Generation. Diese Anwendungen lenken die Aufmerksamkeit erneut auf die heimische Magnesiumproduktion. Derzeit wird Magnesium in den Vereinigten Staaten in einem energieintensiven Verfahren aus Salzsole gewonnen, von denen einige aufgrund von Dürreperioden gefährdet sind. Das Energieministerium hat Magnesium in seine kürzlich veröffentlichte Liste der kritischen Materialien für die heimische Produktion aufgenommen.

Ein in der Zeitschrift Environmental Science & Technology Letterveröffentlichter Artikel zeigt, wie Forscher des Pacific Northwest National Laboratory (PNNL) und der University of Washington (UW) einen einfachen Weg gefunden haben, reines Magnesiumsalz, ein Ausgangsmaterial für Magnesiummetall, aus Meerwasser zu isolieren. Bei ihrer neuen Methode werden zwei Lösungen nebeneinander in einem langen Strom geführt. Das als laminare Koflussmethode bezeichnete Verfahren macht sich die Tatsache zunutze, dass die fließenden Lösungen eine ständig reagierende Grenzfläche bilden. Frische Lösungen fließen vorbei, so dass das System nie ein Gleichgewicht erreichen kann.

Bei dieser Methode wird ein alter Prozess durch einen neuen Trick ersetzt. Mitte des 20. Jahrhunderts gelang es Chemieunternehmen, Magnesium aus Meerwasser zu gewinnen, indem sie es mit Natriumhydroxid, gemeinhin als Lauge bekannt, mischten. Das so entstandene Magnesiumhydroxidsalz, das dem Antazidum Magnesiummilch seinen Namen gibt, wurde dann zur Herstellung von Magnesiummetall verarbeitet. Bei diesem Verfahren entsteht jedoch ein komplexes Gemisch aus Magnesium- und Kalziumsalzen, das sich nur schwer und mit hohem Aufwand abtrennen lässt. Die jüngste Arbeit stellt reines Magnesiumsalz her und ermöglicht eine effizientere Verarbeitung.

"Normalerweise treibt man die Trennungsforschung voran, indem man kompliziertere Materialien entwickelt", sagt Chinmayee Subban, Chemikerin am PNNL und UW-Professorin für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen. "Diese Arbeit ist so aufregend, weil wir einen völlig anderen Ansatz verfolgen. Wir haben ein einfaches Verfahren gefunden, das funktioniert. In größerem Maßstab könnte dieses Verfahren dazu beitragen, die Renaissance der Magnesiumproduktion in den USA voranzutreiben, indem es primäre Rohstoffe erzeugt. Wir sind von einer riesigen, blauen, ungenutzten Ressource umgeben".

Vom Sequim-Wasser zum festen Salz

Subban und das Team testeten ihre neue Methode mit Meerwasser vom PNNL-Sequim-Campus, wodurch die Forscher die Vorteile der PNNL-Einrichtungen im gesamten Bundesstaat Washington nutzen konnten.

"Als Mitarbeiterin der Küstenwissenschaften rief ich einfach ein Mitglied unseres Chemieteams in Sequim an und bat um eine Meerwasserprobe", so Subban. "Am nächsten Tag haben wir eine Kühlbox in unser Labor in Seattle geliefert bekommen. Darin befanden sich Kühlakkus und eine Flasche mit gekühltem Meerwasser aus Sequim." Diese Arbeit steht stellvertretend für die Zusammenarbeit, die zwischen den PNNL-Standorten Richland, Seattle und Sequim möglich ist.

Bei der laminaren Coflow-Methode lassen die Forscher Meerwasser neben einer Lösung mit Hydroxid fließen. Das magnesiumhaltige Meerwasser reagiert schnell und bildet eine Schicht aus festem Magnesiumhydroxid. Diese dünne Schicht wirkt als Barriere für die Durchmischung der Lösung.

"Der Strömungsprozess führt zu dramatisch anderen Ergebnissen als die einfache Vermischung von Lösungen", sagt PNNL-Postdoktorand Qingpu Wang. "Die anfängliche Barriere aus festem Magnesiumhydroxid verhindert, dass Kalzium mit dem Hydroxid wechselwirkt. Wir können selektiv reines festes Magnesiumhydroxid herstellen, ohne dass zusätzliche Reinigungsschritte erforderlich sind."

Die Selektivität dieses Prozesses macht ihn besonders leistungsfähig. Die Erzeugung von reinem Magnesiumhydroxid ohne jegliche Verunreinigung durch Kalzium ermöglicht es den Forschern, energieintensive und teure Reinigungsschritte zu überspringen.

Nachhaltigkeit für die Zukunft

Das neue und schonende Verfahren hat das Potenzial, sehr nachhaltig zu sein. So kann beispielsweise das Natriumhydroxid, das zur Gewinnung des Magnesiumsalzes verwendet wird, vor Ort mit Meerwasser und erneuerbarer Meeresenergie erzeugt werden. Die Entfernung des Magnesiums ist eine notwendige Vorbehandlung für die Meerwasserentsalzung. Durch die Kopplung des neuen Verfahrens mit bestehenden Technologien könnte es einfacher und billiger werden, Meerwasser in Süßwasser zu verwandeln.

Das Team ist besonders gespannt auf die Zukunft des Prozesses. Ihre Arbeit ist die erste Demonstration der laminaren Coflow-Methode für selektive Trennungen. Dieser neue Ansatz hat viele weitere potenzielle Anwendungen, aber es muss noch mehr getan werden, um die zugrunde liegende Chemie des Prozesses zu verstehen. Die Wissenslücke bietet neue Möglichkeiten und Forschungsrichtungen für den Antrieb der blauen Wirtschaft.

"Wir wollen diese Arbeit von der Empirie zur Vorhersage führen", sagte der PNNL-Materialwissenschaftler Elias Nakouzi. "Es besteht die spannende Möglichkeit, ein grundlegendes Verständnis für die Funktionsweise dieses Prozesses zu entwickeln und ihn gleichzeitig auf wichtige Probleme wie die Schaffung neuer Energiematerialien und die selektive Trennung schwer zu trennender Ionen für die Wasseraufbereitung und Ressourcenrückgewinnung anzuwenden."

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