ثورة في إنتاج الليثيوم.. تطوير تقنية استخراج تقلل مساحة الأرض والوقت اللازم لإنتاج المعدن النفيس
12/09/2023
يعد الليثيوم عنصرًا حيويًا في البطاريات الموجودة في قلب السيارات الكهربائية وتخزين طاقة الشبكة، وهو مفتاح مستقبل الطاقة النظيفة. لكن إنتاج المعدن الأبيض الفضي يأتي بتكاليف بيئية كبيرة. من بينها المساحة الهائلة من الأراضي والوقت اللازم لاستخراج الليثيوم من المياه المالحة، مع عمليات كبيرة تمتد إلى عشرات الأميال المربعة وغالبًا ما تتطلب أكثر من عام لبدء الإنتاج.
الآن، طور الباحثون في جامعة برينستون تقنية استخراج تقلل من مساحة الأرض والوقت اللازم لإنتاج الليثيوم .
ويقول الباحثون إن نظامهم يمكن أن يحسن الإنتاج في منشآت الليثيوم الحالية ويفتح مصادر كانت تعتبر في السابق صغيرة جدًا أو مخففة بحيث لا تستحق العناء.
جوهر هذه التقنية الموصوفة في Nature Water ، عبارة عن مجموعة من الألياف المسامية الملتوية في خيوط، والتي صممها الباحثون لتكون لها قلب محب للماء وسطح طارد للماء. عندما يتم غمس الأطراف في محلول ماء مالح، ينتقل الماء إلى أعلى الأوتار من خلال الحركة الشعرية، وهي نفس العملية التي تستخدمها الأشجار لسحب الماء من الجذور إلى الأوراق.
سهولة الحصاد
يتبخر الماء بسرعة من سطح كل خيط، تاركًا وراءه أيونات الملح مثل الصوديوم والليثيوم، مع استمرار تبخر الماء، تصبح الأملاح مركزة بشكل متزايد وتشكل في النهاية بلورات كلوريد الصوديوم وكلوريد الليثيوم على الأوتار، مما يسمح بسهولة الحصاد.
بالإضافة إلى تركيز الأملاح، تتسبب هذه التقنية في تبلور الليثيوم والصوديوم في مواقع مختلفة على طول الخيط بسبب اختلاف خصائصهما الفيزيائية.
يتبلور الصوديوم، ذو الذوبان المنخفض، في الجزء السفلي من الخيط، بينما تتبلور أملاح الليثيوم عالية الذوبان بالقرب من الجزء العلوي. سمح الفصل الطبيعي للفريق بجمع الليثيوم والصوديوم بشكل فردي، وهو إنجاز يتطلب عادة استخدام مواد كيميائية إضافية.
وقال جيسون رين، أستاذ الهندسة المدنية والبيئية ومركز أندلينجر للطاقة والبيئة في جامعة برينستون: “كنا نهدف إلى الاستفادة من العمليات الأساسية للتبخر والعمل الشعري لتركيز الليثيوم وفصله وحصاده”، فريق البحث “لا نحتاج إلى استخدام مواد كيميائية إضافية، كما هو الحال مع العديد من تقنيات الاستخلاص الأخرى، كما توفر العملية الكثير من المياه مقارنة بطرق التبخر التقليدية.”
وأضاف رين ، أن محدودية إمدادات الليثيوم تمثل إحدى العقبات أمام التحول إلى مجتمع منخفض الكربون، “إن نهجنا رخيص وسهل التشغيل ويتطلب القليل جدًا من الطاقة، إنه حل صديق للبيئة لتحدي الطاقة الحرج.”
بركة تبخر على خيط
يتضمن استخراج المياه المالحة التقليدية بناء سلسلة من برك التبخر الضخمة لتركيز الليثيوم من المسطحات الملحية أو البحيرات المالحة أو طبقات المياه الجوفية.
يمكن أن تستغرق العملية من عدة أشهر إلى بضع سنوات، تعتبر هذه العمليات قابلة للتطبيق تجاريًا فقط في عدد قليل من المواقع حول العالم التي تحتوي على تركيزات عالية كافية من الليثيوم، ووفرة من الأراضي المتاحة، ومناخ جاف لتحقيق أقصى قدر من التبخر.
على سبيل المثال، لا توجد سوى عملية واحدة نشطة لاستخراج الليثيوم المعتمد على محلول ملحي في الولايات المتحدة، وتقع في ولاية نيفادا وتغطي مساحة تزيد عن سبعة أميال مربعة.
تعد تقنية السلسلة أكثر إحكاما ويمكن أن تبدأ في إنتاج الليثيوم بسرعة أكبر. على الرغم من أن الباحثين يحذرون من أن الأمر سيتطلب عملاً إضافيًا لتوسيع نطاق التكنولوجيا الخاصة بهم من المختبر إلى النطاق الصناعي، إلا أنهم يقدرون أنها يمكن أن تقلل مساحة الأرض التي تحتاجها أكثر من 90 بالمائة من العمليات الحالية ويمكن أن تسرع عملية التبخر بأكثر من 20 بالمائة، مرات مقارنة بأحواض التبخير التقليدية، مما قد يؤدي إلى إنتاج محصول أولي من الليثيوم في أقل من شهر واحد.
ومن الممكن أن تعمل العمليات المدمجة ومنخفضة التكلفة والسريعة على توسيع نطاق الوصول ليشمل مصادر جديدة من الليثيوم، مثل آبار النفط والغاز المهجورة ومحاليل الطاقة الحرارية الأرضية، التي تعتبر حاليًا صغيرة جدًا أو مخففة جدًا بحيث لا يمكن استخراج الليثيوم.
وقال الباحثون، إن معدل التبخر المتسارع يمكن أن يسمح أيضًا بالعمل في المناخات الأكثر رطوبة. حتى أنهم يحققون فيما إذا كانت التكنولوجيا ستسمح باستخراج الليثيوم من مياه البحر.
بصمة مكانية منخفضة بشكل كبير
وقال سونكسيانج (شون) تشنج، المؤلف المشارك في الدراسة ومركز أندلينجر السابق: “عمليتنا تشبه وضع بركة تبخر على خيط، مما يسمح لنا بالحصول على محاصيل الليثيوم ببصمة مكانية منخفضة بشكل كبير ومع تحكم أكثر دقة في العملية”. “إذا تم التوسع، فقد نفتح آفاقًا جديدة لاستخراج الليثيوم الصديق للبيئة.”
ونظرًا لأن المواد اللازمة لإنتاج الأوتار رخيصة الثمن، ولأن التكنولوجيا لا تتطلب معالجات كيميائية لتشغيلها، فقد قال الباحثون إنه مع التحسينات الإضافية، سيكون نهجهم مرشحًا قويًا للتبني على نطاق واسع، في هذه الورقة، أظهر الباحثون إمكانية التوسع في نهجهم من خلال بناء مجموعة من 100 سلسلة لاستخراج الليثيوم.
يعمل فريق رين بالفعل على تطوير جيل ثانٍ من التقنية التي ستتيح كفاءة أكبر وإنتاجية أعلى ومزيدًا من التحكم في عملية البلورة. وهو ينسب الفضل إلى مبادرة برينستون للتحفيز لتوفير الدعم الأولي الحاسم لتمكين التعاون البحثي الإبداعي.
بالإضافة إلى ذلك، حصل فريقه مؤخرًا على جائزة NSF Partnerships for Innovation وجائزة من صندوق تسريع الملكية الفكرية (IP) في برينستون لدعم عملية البحث والتطوير، بما في ذلك طرق تعديل النهج لاستخراج المعادن المهمة الأخرى بالإضافة إلى الليثيوم.
تحسين التكنولوجيا
يقود Zheng إطلاق شركة ناشئة، PureLi Inc، لبدء عملية تحسين التكنولوجيا وتقديمها في النهاية إلى السوق الأوسع.
تم اختيار تشنج كواحد من أربعة باحثين في مجموعة START Entrepreneurs الافتتاحية في جامعة برينستون، وهي زمالة أكاديمية ومسرع للشركات الناشئة مصممة لتعزيز ريادة الأعمال الشاملة.
وقال تشنج: “باعتبارك باحثًا، فإنك تعلم بشكل مباشر أن العديد من التقنيات الجديدة باهظة الثمن أو يصعب توسيع نطاقها”، “لكننا متحمسون للغاية بشأن هذا المنتج، ومع بعض التحسينات الإضافية في الكفاءة، نعتقد أن لديه إمكانات مذهلة لإحداث تأثير حقيقي على العالم.”
