Wetenschappers hebben een manier gevonden om PFAS-afval, de beruchte ‘forever chemicals’, om te zetten in lithium. Het proces vernietigt de schadelijke stoffen en levert tegelijkertijd hoogwaardige batterijgrondstof op in slechts enkele minuten.
PFAS staan bekend als een van de hardnekkigste milieuproblemen van deze eeuw. De zogenoemde “forever chemicals” breken nauwelijks af, hopen zich op in bodem en water en vormen wereldwijd een groeiend gezondheids- en milieuprobleem.
Onderzoekers van Rice University hebben nu een opmerkelijke draai gegeven aan dat verhaal: ze gebruiken PFAS-afval om lithium uit pekelwater te winnen. Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Water, kan deze methode tegelijkertijd PFAS vernietigen én batterijwaardig lithium produceren.
Het idee is even eenvoudig als radicaal: gebruik de fluorine-atomen die opgesloten zitten in PFAS-moleculen om lithium uit zoutoplossingen te vangen.
PFAS-afval als grondstof
Het onderzoeksteam, onder leiding van chemicus James Tour en onderzoeker Yi Cheng, begon bij een probleem dat waterzuiveringsinstallaties goed kennen: verzadigd actief kool.
Dit materiaal wordt veel gebruikt om PFAS uit blusschuim of drinkwater te filteren. Zodra het vol zit met PFAS, wordt het doorgaans als gevaarlijk afval behandeld en moet het worden vernietigd. De onderzoekers zagen echter iets anders: een bron van fluor.
PFAS-moleculen bevatten extreem sterke koolstof-fluorverbindingen. Dat maakt ze zo moeilijk afbreekbaar — maar betekent ook dat ze een hoge concentratie fluor bevatten. Dat fluor kan chemisch interessant zijn, mits je het uit de moleculen weet te bevrijden.
Lithium uit een chemische soep
Het PFAS-verzadigde koolstof werd gemengd met pekelwater dat lithium bevat. Zulke brines zijn een belangrijke alternatieve bron van lithium, bijvoorbeeld in zoutmeren in Zuid-Amerika.
Het probleem: deze oplossingen zijn een complexe cocktail van zouten zoals magnesium, calcium en kalium. Het selectief winnen van lithium is daarom lastig en vaak duur. De sleutel in de nieuwe methode ligt in het vrijmaken van fluor uit PFAS, zodat het kan reageren met lithiumionen in de pekel. Daarbij ontstaat lithiumfluoride (LiF), een relatief stabiel zout dat later kan worden gescheiden.
Flitsverhitting boven 1000 °C
Om dat fluor los te krijgen gebruikten de onderzoekers een techniek die bekendstaat als Flash Joule Heating.
Daarbij wordt een extreem korte elektrische puls door het materiaal gestuurd, waardoor de temperatuur in milliseconden boven de 1000 °C stijgt. Die plotselinge hitte breekt de sterke koolstof-fluorbindingen in PFAS. Zodra de fluor vrijkomt, reageert het vrijwel direct met lithiumionen in de oplossing. Het resultaat: lithiumfluoride.
Volgens Cheng was dat dan ook precies het doel: “Het gebruikte koolstof bevat fluor dat opgesloten zit in PFAS-moleculen. Door dat fluor vrij te maken en te laten reageren met lithium, kunnen we lithiumfluoride verzamelen.”
99% zuiverheid
Het vormen van lithiumfluoride is slechts de eerste stap. De pekel bevat namelijk nog steeds veel andere zouten.
Daarom paste het team een tweede thermische stap toe. Door het materiaal kort te verhitten tot temperaturen tussen ongeveer 1.676 en 2.260 °C verdampt lithiumfluoride, terwijl zwaardere fluoridezouten (zoals die van magnesium en calcium) achterblijven.
Dit proces, een soort flitsdestillatie, levert een lithiumstroom met circa 99 procent zuiverheid en een terugwinning van ongeveer 82 procent. Opvallend is ook de snelheid: het hele proces duurt seconden tot minuten, terwijl traditionele lithiumwinning uit brines vaak maanden duurt.
Minder water én minder energie
Traditionele lithiumwinning uit pekelvelden werkt meestal via enorme verdampingsbassins. Pekel wordt opgepompt en maandenlang in de zon gelegd zodat water verdampt en lithiumzouten geconcentreerd raken. Dat proces verbruikt enorme hoeveelheden water, en dat dan ook nog eens vaak in droge regio’s zoals de Atacama-woestijn.
De methode van Rice gebruikt veel minder water en energie, omdat er geen langdurige verdamping nodig is. Bovendien vernietigt het proces tegelijkertijd PFAS.
Ook getest in échte batterijen
Het onderzoek bleef niet bij chemische analyse. Het team testte het gewonnen lithiumfluoride ook in elektrolyten voor lithium-ion batterijen. Daar bleek het gerecyclede materiaal zelfs voordelen te hebben: het verbeterde de stabiliteit en prestaties van de batterijen ten opzichte van conventioneel lithiumfluoride. Dat suggereert dat het proces niet alleen milieuwinst oplevert, maar ook industrieel bruikbaar kan zijn.
Twee vliegen in één klap
Het concept achter de studie past in een bredere trend in de chemische industrie: waste-to-value. Daarbij wordt een afvalstroom niet vernietigd, maar omgezet in een bruikbaar materiaal. In dit geval slaat de methode twee vliegen in één klap: PFAS-vervuiling wordt vernietigd, en lithium wordt gewonnen voor batterijen.
Met de groei van elektrische voertuigen en energieopslag stijgt de vraag naar lithium snel. Tegelijkertijd groeit wereldwijd de druk om PFAS-vervuiling aan te pakken. Als het proces op industriële schaal werkt, kan het dus een zeldzame combinatie opleveren: een technologie die tegelijk een milieuprobleem oplost én een kritieke grondstof produceert.
