Migliorare l’efficienza dell’estrazione di litio e minerali con le ninfee artificiali

Un'alternativa all'estrazione di minerali

Quando si tratta di produrre i minerali chiave per alimentare le industrie mondiali, esistono davvero solo 3 possibili fonti: l'estrazione di rocce, il riciclo e la purificazione dei minerali disciolti. Per materiali come ferro e alluminio, le miniere tradizionali sono i fornitori principali, con il riciclo che contribuisce anch'esso.

Tuttavia, per materiali come il litio, una delle fonti principali sono le salamoie, acque ricche di minerali che devono essere evaporate per raccogliere i minerali in esse contenuti. Un metodo simile è spesso usato per la produzione dei due fertilizzanti più importanti: nitrati e potassio.

Questo metodo richiede enormi stagni di evaporazione che coprono migliaia di ettari, imponendo un pesante costo ambientale agli ecosistemi locali.

Fonte: SQM

Finora, è stato realizzato facendo affidamento esclusivamente sui raggi del Sole per riscaldare gli stagni e far evaporare l'acqua. Questo è tutt'altro che un processo efficiente, da qui le enormi superfici richieste.

Questo potrebbe cambiare, grazie a un nuovo materiale che potrebbe accelerare l'evaporazione, sviluppato da ricercatori della Princeton University in collaborazione con il gigante della produzione di litio Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

Hanno pubblicato la loro invenzione su Nature Water¹, con il titolo “Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining”.

Produzione di massa di litio

(Non così sostenibile) Energia verde

Quando non viene estratto dalle rocce (depositi di spodumene), il litio si trova principalmente in salamoie minerali, miscelate con altri sali e minerali disciolti. La salamoia viene per lo più estratta dalle acque sotterranee o creata mediante l'estrazione del litio da depositi ricchi di minerali con acqua dolce.

Attualmente, decine di migliaia di ettari di stagni solari sono in uso nel mondo per l'estrazione del litio, con il Cile che ne possiede 6.000 ettari (14.800 acri).

Questo metodo sta esercitando una pressione estrema sull'approvvigionamento idrico di queste regioni. Peggio ancora, le aree ricche di litio sono generalmente deserti, motivo per cui il litio è concentrato in depositi economicamente sfruttabili. Pertanto, l'acqua limitata disponibile potrebbe essere interamente dirottata verso l'industria del litio, mettendo a rischio gli ecosistemi e le comunità locali.

Consumo energetico

Questi stagni di evaporazione sono un metodo per sfruttare l'energia solare “gratuitamente”. È un'opzione superiore rispetto alle alternative che utilizzano elettricità, come la compressione meccanica del vapore o l'osmosi inversa ad altissima pressione.

Sebbene probabilmente più ecologiche, queste metodologie basate sull'elettricità sarebbero impossibili da implementare su larga scala. Per esempio, i soli stagni di evaporazione cileni stanno sfruttando 65 TWh di energia solare, superando il 70% della produzione annuale totale del Cile (~90 TWh all'anno).

Un problema significativo è che, nonostante sia poco costoso, il metodo dei stagni di evaporazione è tutt'altro che efficiente. Meno della metà dell'energia solare viene convertita in energia termica, contribuendo all'evaporazione.

È qui che entra in gioco l'invenzione dei ricercatori di Princeton.

Fertilizzanti

Non solo il litio, ma anche i fertilizzanti possono essere prodotti tramite stagni di evaporazione. In particolare, SQM produce annualmente 1,5 milioni di tonnellate di salti di nitrato da minerale di caliche e salamoie salar.

Fonte: SQM

Questo fa parte di una complessa miscela chimica che SQM estrae dalle salamoie, includendo cloruro di litio, cloruro di potassio, cloruro di magnesio, acido borico e solfato di potassio. Il potassio viene poi mescolato per formare nitrato di potassio.

Sebbene non sia una fonte significativa di fertilizzanti rispetto al mining diretto o alla sintesi di fertilizzanti a base di azoto usando gas naturale (processo Haber-Bosch), questo è un altro processo di produzione con impatto ambientale che potrebbe essere migliorato con stagni di evaporazione più efficienti.

Ottimizzare l'evaporazione

Scoperte precedenti

L'ultimo lavoro di R&D per aumentare l'efficienza dei stagni di evaporazione si basa su lavori precedenti degli stessi ricercatori e di altri in questo campo. Avevano studiato il fenomeno chiamato evaporazione solare interfaciale (ISE).

Il concetto chiave dell'ISE è utilizzare un materiale altamente assorbente alla luce per catturare quasi il 100% della radiazione solare, assorbendo al contempo l'acqua salata e ricca di minerali.

Fonte: ResearchGate

Sono stati fatti ulteriori progressi per evitare l'accumulo e la cristallizzazione del sale, che ridurrebbero l'efficienza nel tempo, in particolare salt backflow enhancement, Janus structural designs, e directional crystallization.

Una partnership pubblico-privata

Questo lavoro è stato svolto nell'ambito del programma START Innovators dell'Università. Il programma, una combinazione di borsa di studio accademica e acceleratore per startup, ha permesso ai ricercatori di continuare a sviluppare la loro tecnologia creando un piano aziendale e costruendo imprese in fase iniziale.

“Aiutare a coltivare un ecosistema in cui i nostri docenti e ricercatori possano tradurre efficacemente le loro tecnologie nel settore commerciale è una funzione fondamentale dell'Ufficio dell'Innovazione.”

Craig Arnold – Vice Dean per l'Innovazione e Responsabile dell'Innovazione Universitaria.

Questo approccio mira ad accelerare il trasferimento della tecnologia dalle idee di laboratorio alla scala industriale e a tradurre meglio le competenze tecniche dei ricercatori accademici in applicazioni pratiche.

“Ciò che possiamo fare con ricercatori come il Professor Ren e il suo team è aiutare a reindirizzare il modo in cui pensano alle loro idee. Il nostro obiettivo è cambiare radicalmente le prospettive dei partecipanti, così che lascino il nostro programma con una prospettiva completamente diversa da quella con cui sono entrati.

Gli poniamo domande complesse che possono andare oltre il tradizionale ambito di un ricercatore, ma sono essenziali per tradurre le innovazioni accademiche in risultati di successo.”

Nena Golubovic – Direttore del programma Design for Impact in Scienze e Ingegneria

Sembra che abbia funzionato, con la tecnologia passata da “piccoli prototipi in piscine per bambini” a testare prodotti pronti per la commercializzazione in impianti di produzione mineraria in Sud America in meno di 2 anni.

“Princeton ha fornito le basi, l'ecosistema e le risorse che ci hanno insegnato le competenze e le conoscenze necessarie per avere successo come piccola impresa.”

Sean Zheng – CEO di Princeton Critical Minerals (ex PureLi)

Aumentare l'efficienza

Mentre il prototipo precedente utilizzava legno come materiale di trasporto dell'acqua, i ricercatori hanno inventato cristallizzatori di fibre di cellulosa intrecciate. Questo consente non solo una rapida evaporazione dell'acqua, ma anche una cristallizzazione spazialmente separata per il recupero selettivo del litio.

Hanno inoltre utilizzato rivestimenti proprietari per i nostri materiali a base di carbonio, consentendo una rapida evaporazione, separazione dei minerali e proprietà antifouling.

La startup Princeton Critical Minerals ha testato il suo primo prototipo in un vero stagno di evaporazione di litio di proprietà di SQM, a forma di ninfea artificiale galleggiante sulla superficie dell'acqua.

Fonte: ResearchGate

Quando osservato con una termocamera, è evidente che la superficie dell'acqua è molto più calda, con punti caldi soprattutto in una zona speciale della ninfea artificiale. Il design si è dimostrato capace di convertire il 96% dell'energia solare in energia termica, rispetto al 50% di efficienza degli stagni aperti.

Fonte: ResearchGate

Questo ha migliorato radicalmente il tasso di evaporazione, che è raddoppiato in media (aumento del 40–122% a seconda delle concentrazioni di salamoia). Ha anche avuto l'effetto di ridurre notevolmente la perdita d'acqua verso il fondo dello stagno, poiché il processo avveniva molto più rapidamente.

Fonte: ResearchGate

Ulteriori ricerche

I dati della termocamera hanno dimostrato che il modo principale in cui le ninfee artificiali funzionano è mantenendo il calore del sole sulla superficie dello stagno, dove avviene effettivamente l'evaporazione, invece che sul fondo, dove il calore si disperde.

Poiché la temperatura influisce sulla solubilità dei minerali, potrebbe essere che ulteriori regolazioni della temperatura sulla superficie delle ninfee possano migliorare ancora di più la produzione di litio.

“Queste domande sono emerse solo dopo aver visto i risultati dei test sul campo. Se avessimo mantenuto il nostro lavoro in laboratorio, queste nuove direzioni potrebbero non essere mai emerse.”

Z. Jason Ren – Professore di ingegneria civile e ambientale

Un altro passo sarà avviare la produzione di massa delle ninfee artificiali ed esplorare l'economia del dispositivo, nonché i potenziali modelli di business a lungo termine per Princeton Critical Minerals.

Aziende di evaporazione del litio

SQM è la seconda più grande azienda di estrazione di litio al mondo, con i suoi asset in Cile e il litio che rappresenta la maggior parte dell'attività dell'azienda. È anche leader di mercato nella produzione di nitrato di potassio di origine naturale e vende prodotti chimici speciali come iodio, cloruro di potassio, acido borico e cloruri di magnesio.

Fonte: SQM

Ad aprile 2023, l'azienda ha dovuto affrontare a move by Chile threatening a partial nationalization of the country’s lithium industry. Oltre lo shock iniziale, ulteriori dettagli sul piano hanno chiarito che il paese intende ancora attrarre investimenti privati stranieri.

Più specificamente, la società nazionale di litio Coldeco sta rinegoziando un contratto con SQM, e altri depositi di litio saranno offerti per lo sfruttamento. Il contratto esistente sarà comunque rispettato e rimarrà in vigore fino al 2030.

Poiché le negoziazioni sono in corso, sono disponibili poche informazioni ed è difficile prevedere il futuro a lungo termine di SQM. Tuttavia, il Cile è un paese fortemente dipendente dal mining per la sua economia, e la reazione iniziale contro i piani di nazionalizzazione, che ha colpito non solo la fiducia nel litio ma in tutto il settore minerario, ha costretto il governo a limitare le sue ambizioni (per ora?).

La minaccia di nazionalizzazione è stata seguita da un duraturo calo dei prezzi internazionali del litio, che ha provocato una diminuzione del prezzo delle azioni dell'azienda, rispetto al picco di fine 2022.

Fonte: Carbon Credit

Il litio ha registrato una crescita dei volumi di vendita (+13%), prezzi medi di vendita annui significativamente più bassi (-41%) nel 4Q2024 rispetto al 4Q2023

Come risultato dei bassi prezzi del litio, l'azienda ha realizzato molte più entrate nel 2024, proporzionalmente, da altri prodotti rispetto al passato, con lo iodio responsabile del 39% dei profitti lordi.

Fonte: SQM

Ciò può essere visto sia come un riflesso del reale rischio dell'azienda, sia come un'opportunità per attrarre investitori disposti a correre il rischio e a ottenere un solido rendimento da dividendi.

Come per tutti gli investimenti nel litio, gli investitori vorranno familiarizzare con il panorama dei veicoli elettrici (domanda e potenziale della chimica innovativa come le batterie al sodio, che non usano litio) e si aspettano che l'alta volatilità dei prezzi del litio persista nel prossimo futuro, anche se i rischi al ribasso sembrano già in parte valutati.

(Puoi leggere di più sul litio e le batterie nei nostri articoli “Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries?”, “Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs?” e “Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World”.)

Ultime notizie su Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{Studi citati:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. et al.(2025). Evaporazione solare interfaciale per l'estrazione sostenibile di salamoie. NatureWater 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}