Negocios globales, Grupo BICHEM
I. Antecedentes y situación de la industria
Impulsada por los objetivos duales de carbono de China, la demanda mundial de litio crece exponencialmente a una tasa anual superior al 30%. Los recursos de litio provienen principalmente de minerales y salmueras, entre las cuales las de salmuera (incluidas las de lagos salados, geotérmicas y de yacimientos petrolíferos) tienen reservas miles de veces superiores a las de minerales. Gracias a sus ventajas ambientales y de costo, las salmueras se han convertido en el eje central del desarrollo de la industria del litio.
Las tecnologías actuales de extracción de litio, incluyendo la evaporación tradicional y la extracción directa de litio (EDL), aún enfrentan limitaciones significativas. En primer lugar, su adaptabilidad a las materias primas es insuficiente. Las tecnologías existentes procesan principalmente salmueras de alta calidad con concentraciones de litio superiores a 260 mg/L y relaciones magnesio-litio (RML) inferiores a 6,15, mientras que más del 99% de las reservas mundiales de salmuera se encuentran por debajo de este estándar, al tratarse de salmueras de baja calidad, que permanecen en gran medida sin explotar. En segundo lugar, estos procesos conllevan un alto consumo energético y costos ambientales. La evaporación tradicional requiere grandes extensiones de terreno y ciclos largos que van desde meses hasta años, con una pérdida de más del 60% del litio por arrastre, a la vez que altera los recursos hídricos subterráneos y los ecosistemas locales. En tercer lugar, la contradicción en el uso del agua es grave. Las tecnologías de EDL existentes consumen más de 500 m³ de agua dulce por cada tonelada de carbonato de litio producida; sin embargo, los depósitos de salmuera se ubican principalmente en desiertos, mesetas y otras regiones con escasez de agua dulce, lo que genera el dilema de la "extracción intensiva en agua". Por último, los cuellos de botella técnicos son evidentes: la adsorción sufre de una baja eficiencia de transferencia de masa y una cinética lenta a bajas concentraciones de litio; la separación por membrana debe superar los efectos de polarización de la concentración; los métodos electroquímicos requieren una entrada de energía externa y están además limitados por las bajas temperaturas (por ejemplo, la temperatura anual promedio de los lagos salados del oeste de China es de solo 5,2 °C).
II. Concepto e innovación de la tecnología SDLE
Para superar estos obstáculos tradicionales, ha surgido el sistema de Extracción Directa de Litio con Energía Solar (SDLE). Este sistema integra la Evaporación de Interfaz Solar (SIE) con la DLE, aprovechando la energía solar limpia y renovable para superar los desafíos de extraer litio de salmueras de baja calidad, a la vez que se produce agua dulce, logrando así un uso sinérgico de los recursos, la energía y el agua.
Los principales avances de la tecnología SDLE se pueden resumir en tres aspectos:
1. Revolución en el suministro energético: del alto consumo a cero emisiones de carbono
El sistema SDLE utiliza energía solar como única o principal fuente de energía, impulsando el proceso de extracción mediante efectos fototérmicos o fotoeléctricos, sin depender de la red eléctrica ni de combustibles fósiles. Los sistemas SDLE fototérmicos logran un calentamiento interfacial localizado (calentando únicamente la salmuera en la interfaz de evaporación), lo que mejora la eficiencia energética de 3 a 5 veces en comparación con la evaporación tradicional. Los sistemas SDLE fotoeléctricos utilizan efectos fotovoltaicos para impulsar directamente la extracción electroquímica de litio, logrando así una fuente de alimentación externa cero.
2. Avance en la gama de materias primas: desde la más alta calidad hasta todos los grados
Mediante la conducción por gradientes (gradientes de temperatura, concentración y presión generados por efectos fototérmicos) o la conducción por campos (campos eléctricos internos generados por efectos fotoeléctricos), los sistemas SDLE mejoran significativamente la difusión y el enriquecimiento de Li+. En los sistemas fototérmicos, los gradientes de temperatura aceleran la migración de Li+ hacia la capa de extracción, a la vez que suprimen la difusión de iones competidores como el Mg₂. En los sistemas fotoeléctricos, los campos eléctricos internos dirigen el transporte de Li+ a través de membranas selectivas, lo que permite un enriquecimiento eficiente de Li+ incluso en agua de mar (donde la concentración de litio es de tan solo 0,2 mg/L).
3. Utilización sinérgica de recursos: de la extracción única de litio a la coproducción de litio y agua
Durante la extracción de litio, SDLE también condensa el vapor de agua evaporado en agua dulce, lo que permite obtener una sola entrada de energía con dos salidas. Por ejemplo, los sistemas de adsorción SDLE pueden alcanzar tasas de recuperación de agua dulce superiores al 90 % durante la extracción de litio, abordando eficazmente la extracción con alto consumo de agua en las regiones de extracción de salmuera.
III. Sistemas SDLE fototérmicos y fotoeléctricos
Dependiendo de la forma de conversión de energía solar, los sistemas SDLE se pueden clasificar en tipos fototérmicos y fotoeléctricos.
1. Sistemas fototérmicos SDLE: “extracción natural” impulsada por gradientes
Los sistemas fototérmicos SDLE se basan en mecanismos de extracción natural impulsados por gradientes y constan de una capa de absorción solar y una capa de extracción de litio. Su mecanismo de funcionamiento consta de tres etapas: formación de gradiente térmico, donde el calentamiento localizado de la interfase genera la fuerza impulsora para la evaporación del agua; enriquecimiento por gradiente de concentración, donde la evaporación del agua concentra los iones de litio en la capa de extracción y forma un gradiente de difusión; y transferencia de masa por gradiente de presión, donde el gradiente de presión inducido por la evaporación acelera el transporte de agua e iones de litio, a la vez que suprime la incrustación salina y la polarización por concentración.
Los materiales clave incluyen materiales a base de carbono con alta absorción de luz, resistencia a altas temperaturas y a ácidos y álcalis; metales plasmónicos; y materiales semiconductores. La capa de extracción de litio emplea adsorbentes, membranas selectivas y capas de cristalización para una recuperación rápida y selectiva del litio.
2. Sistemas fotoeléctricos SDLE: “extracción precisa” impulsada por el campo
Los sistemas fotoeléctricos SDLE se alimentan mediante efectos fotovoltaicos para la separación electroquímica y están compuestos por unidades de absorción solar semiconductoras, unidades de electrodos y membranas selectivas de iones de litio. Los portadores fotogenerados forman campos eléctricos internos entre los electrodos, dirigiendo el Li+ a través de la membrana para enriquecerlo en el cátodo, mientras que los iones competidores se retienen, lo que permite una alta selectividad.
La innovación de los sistemas fotoeléctricos sin auxiliares reside en su capacidad para impulsar la extracción de litio sin tensión de polarización externa. Presentan un funcionamiento continuo estable y una alta eficiencia, enriqueciendo significativamente los iones de litio incluso en soluciones extremadamente diluidas, eliminando así por completo la dependencia de fuentes de energía externas.
IV. Implicaciones tecnológicas y perspectivas de desarrollo
La tecnología SDLE no es solo un novedoso método de extracción de litio, sino también un paradigma innovador para el aprovechamiento sinérgico de recursos, energía y agua. Mediante una innovación fundamental, logra tres objetivos: extracción de salmueras de baja calidad, suministro de energía sin emisiones de carbono y recuperación de agua dulce, ofreciendo nuevas vías para la transición energética global, la conservación del agua y el desarrollo minero sostenible.
La clave de la exploración de SDLE reside en que representa más que un avance tecnológico en la extracción de litio; ejemplifica un paradigma de utilización sinérgica de recursos, energía y agua. Al aprovechar la energía solar para convertir salmueras de baja ley en coproducción de litio y agua dulce, ofrece un nuevo enfoque para la transición energética global, la protección de los recursos hídricos y el desarrollo de minerales verdes. Su principio fundamental es innovar desde lo fundamental, rompiendo con la mentalidad convencional de un solo objetivo para lograr una optimización multiobjetivo, ofreciendo un marco transferible para el desarrollo verde de otros recursos minerales.