Potential of Lithium Manganese Oxide Sorbent for Direct Lithium Extraction from Geothermal Brine

Innerhalb der letzten zwei Jahrzehnte ist die globale Lithiumnachfrage signifikant angestiegen
und ein weiterer Anstieg wird prognostiziert. Ursache dieser Entwicklung ist der steigende Bedarf an Batterien für Elektrofahrzeuge, die gleichzeitig der wichtigste Anwendungsbereich von
Lithium sind. Zur Deckung der Nachfrage werden neue Lagerstätten erschlossen, wobei zunehmend auch bislang ungenutzte, unkonventionelle Ressourcen wie geothermische Wässer
in Betracht gezogen werden. Die konventionelle Lithiumgewinnung aus Solen mittels Evaporation ist für geothermische Wässer aufgrund niedriger Lithiumgehalte sowie ungünstiger klimatischer Bedingungen jedoch meist nicht möglich. ... mehrDaher werden neue Technologien zur Direkten Lithiumextraktion (DLE) entwickelt, unter anderem Ionentauscher-, Adsorptions- und
Membranverfahren.
Für die Lithiumextraktion aus geothermischen Wässern sind eine hohe Selektivität sowie eine
hohe Extraktionseffizienz erforderlich, um den Umfang nachgeschalteter Verfahrensschritte zu
reduzieren. Zusätzlich muss die Technologie für die Integration in Geothermiekraftwerke eine
hohe Extraktionskinetik aufweisen und unter erhöhtem Druck und hohen Temperaturen betrieben werden können. Zur Vermeidung mineralischer Ausfällungen aus dem Geothermalwasser
sind Veränderungen der Wasserchemie und der Betriebsbedingungen des Kraftwerks auf ein
Minimum zu begrenzen. Zudem sollte die Technologie im Bereich des natürlichen pH-Werts
des Geothermalwassers betrieben werden können. Darüber hinaus ist eine erhöhte Beständigkeit gegenüber hoher Salinität und Korrosion erforderlich.
Als vielversprechender Kandidat für die geothermale DLE wurde das Lithium-ManganoxidSorbens Li1.6Mn1.6O4 identifiziert. Zur Untersuchung des Potenzials des Sorbens unter Realbedingungen sowie zur Identifikation zentraler Herausforderungen der industriellen Umsetzung wurde eine Pilotanlage entwickelt und gebaut. Diese wurde im Geothermiekraftwerk in
Bruchsal, Deutschland, installiert und über einen Bypass an die Reinjektionsleitung des Kraftwerks angeschlossen. Ergänzend wurden die Sorptionseigenschaften des Sorbens unter Laborbedingungen bestimmt.
Das Sorbens zeichnet sich durch eine schnelle Sorptionskinetik sowie eine hohe Sorptionskapazität für Lithium aus, was den Einsatz in Prozessen mit hohen Volumenströmen ermöglicht.
Zudem weist es eine hohe Selektivität für Lithium bei gleichzeitig geringer Selektivität gegen-
über den in der Sole dominierenden Ionen auf, was den Einsatz in hochsalinaren Lösungen
begünstigt. Einschränkungen können sich durch die Sorption und Akkumulation potenziell kritischer Elemente wie As und Radionuklide ergeben, die insbesondere im Hinblick auf die Entsorgung am Ende der Lebensdauer relevant sind. Die hohe Stabilität der Sorptions- und Selektivitätsprozesse unterstreicht das Potenzial des Sorbens für einen Langzeitbetrieb.III
Eine zentrale Herausforderung für die industrielle Umsetzung ist die Herstellung größerer granularer Partikel bei gleichzeitigem Erhalt der Sorptionseigenschaften. Darüber hinaus ist zur
optimalen Nutzung der Selektivität des Sorbens und zum Erreichen einer hohen Reinheit der
Desorptionslösung eine Minimierung der Querkontamination durch Geothermalwasser erforderlich. Zusätzlich ist eine hohe Lithiumkonzentration in der Desorptionslösung notwendig.
In der Gesamtbetrachtung weist das Sorbens Li1.6Mn1.6O4 ein hohes Potenzial für die direkte
Lithiumextraktion aus geothermischen Wässern auf, jedoch stellt der Erhalt der Sorptionsegenschaften bei industriell relevanten Partikelgrößen eine wesentliche Voraussetzung für die
Anwendung dar.

Over the last two decades, global Li demand has increased significantly and is expected to
continue rising. The primary driver of this development and largest application is batteries for
electric vehicles. To meet this demand, new deposits must be developed, and unconventional
resources, such as geothermal brines, are increasingly being considered. However, conventional evaporative Li mining is not feasible for many geothermal brines due to low Li concentrations and climatic restrictions. Consequently, new technologies for Direct Lithium Extraction
(DLE) are being developed, including ion exchange, adsorption, and membrane processes,
... mehr
among others.
For Li extraction from geothermal brines, high selectivity and extraction efficiency are required
to reduce downstream processing. Furthermore, the technology must exhibit fast extraction
kinetics and withstand elevated temperature and pressure, for integration into geothermal
power plants. To avoid the formation of scales, alterations to brine chemistry and operating
conditions must be minimised, and the technology should operate at native brine pH. Additionally, the technology needs a high resistance to salinity and corrosivity.
The Lithium Manganese Oxide (LMO) sorbent Li1.6Mn1.6O4 has been identified as a promising
candidate for geothermal DLE. To investigate the potential of the LMO sorbent under ambient
brine conditions and identify challenges for industrial integration, a pilot plant was developed
and constructed. The pilot plant was set up in the geothermal power plant in Bruchsal, Germany and connected to the reinjection line through a bypass. In addition, sorption properties
of the sorbent were investigated in laboratory experiments.
The sorbent exhibits fast Li sorption kinetics and high Li sorption capacity, making it suitable
for high-flow-rate applications. In addition, the high selectivity for Li and low selectivity toward
brine-dominating elements supports the suitability for highly saline brines. However, the sorption and accumulation of potentially problematic elements such as As and radionuclides might
limit and pose challenges for end-of-life handling. The high retention of the sorption and selectivity processes supports the potential for long-term application.
A key challenge for industrial application is the production of larger, granular particles while
maintaining the advantageous sorption properties. Moreover, to exploit the high selectivity of
the sorbent and obtain a high-purity desorption solution, cross-contamination from geothermal
brine into the desorption solution must be minimised. In addition, high Li concentration in the
desorption solution is required to achieve high purity.
In summary, the LMO sorbent Li1.6Mn1.6O4 has high potential for DLE from geothermal brines,
provided that the advantageous sorption properties are transferred to industrially relevant particle sizes.