تقنية جديدة لاستخراج الليثيوم من المحاليل الملحية صديقة للبيئة بتكلفة زهيدة وبطريقة مستدامة

تستطيع تقنية جديدة استخراج الليثيوم من المحاليل الملحية بتكلفة تقدر بأقل من 40% من تكلفة طريقة الاستخراج السائدة اليوم، وبربع سعر الليثيوم الحالي في السوق.

كما ستكون التقنية الجديدة أكثر موثوقية واستدامة في استخدامها للمياه والمواد الكيميائية والأرض مقارنة بالتقنية الحالية، وفقًا لدراسة نُشرت في مجلة Matter أجراها باحثون من جامعة ستانفورد.

لقد ارتفع الطلب العالمي على الليثيوم في السنوات الأخيرة، مدفوعًا بظهور المركبات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة.

يعتمد المصدر السائد لاستخراج الليثيوم اليوم على تبخير المحاليل الملحية في برك ضخمة تحت الشمس لمدة عام أو أكثر، مما يترك وراءه محلولًا غنيًا بالليثيوم، وبعد ذلك ينهي الاستخدام المكثف للمواد الكيميائية السامة المحتملة المهمة.

توجد المياه ذات التركيز العالي من الأملاح، بما في ذلك الليثيوم، بشكل طبيعي في بعض البحيرات والينابيع الساخنة والخزانات الجوفية، وكمنتج ثانوي لعمليات النفط والغاز الطبيعي وتحلية مياه البحر .

طرق أقل تكلفة وأكثر كفاءة

ويبحث العديد من العلماء عن طرق أقل تكلفة وأكثر كفاءة وموثوقية وصديقة للبيئة لاستخراج الليثيوم.

وعادة ما تكون هذه الطرق عبارة عن استخراج مباشر لليثيوم يتجاوز برك التبخير الكبيرة.

وتتحدث الدراسة الجديدة عن نتائج طريقة جديدة تستخدم نهجًا يُعرف باسم “التحليل الكهربائي المزدوج الأكسدة والاختزال”، أو RCE، إلى جانب تقديرات التكلفة.

وقال يي كوي، المؤلف الرئيسي للدراسة وأستاذ علوم وهندسة المواد في كلية الهندسة: “إن الفوائد المتعلقة بالكفاءة والتكلفة المتأصلة في نهجنا تجعله بديلاً واعدًا لتقنيات الاستخراج الحالية ومغيرًا محتملًا لقواعد اللعبة في سلسلة توريد الليثيوم”.

ويقدر فريق البحث، أن تكلفة نهجه تتراوح بين 3500 إلى 4400 دولار للطن الواحد من هيدروكسيد الليثيوم عالي النقاء، والذي يمكن تحويله إلى كربونات الليثيوم من الدرجة المستخدمة في البطاريات بتكلفة زهيدة، مقارنة بتكاليف تبلغ نحو 9100 دولار للطن بالنسبة للتكنولوجيا السائدة لاستخراج الليثيوم من المحلول الملحي.

ويبلغ سعر السوق الحالي لكربونات الليثيوم من الدرجة المستخدمة في البطاريات نحو 15 ألف دولار للطن، ولكن النقص في أواخر عام 2022 دفع سعر سوق الليثيوم المتقلب إلى 80 ألف دولار.

تلبية الطلب المتزايد

حتى الآن، لعب الليثيوم دورًا حاسمًا في التحول العالمي إلى الطاقة المستدامة.

ومن المتوقع أن يرتفع الطلب على الليثيوم من حوالي نصف مليون طن متري في عام 2021 إلى ما يقدر بنحو 3 إلى 4 ملايين طن متري بحلول عام 2030، وفقًا لتقرير صادر عن شركة ماكينزي آند كو.

ويرجع هذا الارتفاع الحاد في الغالب إلى التبني السريع للسيارات الكهربائية وأنظمة تخزين الطاقة المتجددة، وكلاهما يعتمد بشكل كبير على البطاريات.

تقليديا، كان يتم استخراج الليثيوم من الصخور المستخرجة من المناجم، وهي طريقة أكثر تكلفة، وتستهلك قدرا كبيرا من الطاقة، وتعتمد على مواد كيميائية سامة مقارنة باستخلاصه من المحلول الملحي.

ونتيجة لهذا، تحولت الطريقة السائدة لاستخراج الليثيوم اليوم إلى تبخير المحاليل الملحية من البحيرات المالحة، وإن كانت لا تزال باهظة التكاليف المالية والبيئية.

وتعتمد هذه الطريقة أيضا بشكل كبير على الظروف المناخية المحددة التي تحد من عدد البحيرات المالحة القابلة للاستمرار تجاريا، مما يثير الشكوك حول قدرة صناعة الليثيوم على تلبية الطلب المتزايد.

تستخدم الطريقة الجديدة التي ابتكرها كوي وفريقه الكهرباء لنقل الليثيوم عبر غشاء إلكتروليت الحالة الصلبة من الماء الذي يحتوي على تركيز منخفض من الليثيوم إلى محلول أكثر تركيزًا ونقاءً.

تعمل كل خلية من سلسلة الخلايا على زيادة تركيز الليثيوم إلى محلول يسهل نسبيًا عزله كيميائيًا.

يستخدم هذا النهج أقل من 10% من الكهرباء المطلوبة بواسطة تقنية استخلاص المحلول الملحي الحالية ويتميز بانتقائية الليثيوم بنسبة 100% تقريبًا، مما يجعله فعالًا للغاية.

وقال المؤلف المشارك في الدراسة، رونج شو، وهو باحث سابق في مختبر كوي، وهو الآن عضو هيئة تدريس في جامعة شيان جياوتونج في الصين: “إن المزايا التي أظهرها نهجنا مقارنة بتقنيات استخراج الليثيوم التقليدية تعزز من جدواها في إنتاج الليثيوم الصديق للبيئة والفعال من حيث التكلفة”، “في النهاية، نأمل أن تعمل طريقتنا على تطوير النقل الكهربائي بشكل كبير والقدرة على تخزين الطاقة المتجددة”.

التكلفة والفوائد البيئية

تتضمن الدراسة تحليلاً تقنياً اقتصادياً موجزاً يقارن بين تكاليف استخراج الليثيوم الحالي وتكاليف نهج RCE ومن المتوقع أن تكون الطريقة الجديدة غير مكلفة نسبياً بسبب انخفاض تكاليف رأس المال في الغالب.

وهي تلغي الحاجة إلى برك التبخير الشمسية واسعة النطاق، والتي تكلف الكثير من المال في بنائها وصيانتها.

كما أن استخدام الطريقة الجديدة لكميات أقل كثيراً من الكهرباء والمياه والمواد الكيميائية ــ بصرف النظر عن فوائد الاستدامة ــ يخفض التكاليف بشكل أكبر.

ومن خلال تجنب الاستخدام المكثف للأراضي واستهلاك المياه بالطرق التقليدية، يعمل نهج RCE أيضًا على تقليل البصمة البيئية لإنتاج الليثيوم.

وتعمل طريقة RCE مع مجموعة متنوعة من المياه المالحة، بما في ذلك تلك التي تحتوي على تركيزات متفاوتة من الليثيوم والصوديوم والبوتاسيوم.

وأظهرت تجارب الدراسة أن التكنولوجيا الجديدة يمكن أن تستخرج الليثيوم، على سبيل المثال، من مياه الصرف الصحي الناتجة عن إنتاج النفط.

ويمكن استخدامها لاستخراج الليثيوم من مياه البحر، التي تحتوي على تركيزات أقل من الليثيوم من المحاليل الملحية. إن استخراج الليثيوم من مياه البحر باستخدام الطرق التقليدية ليس مجديًا تجاريًا اليوم.

وقال جي تشانج، باحث ما بعد الدكتوراه في جامعة ستانفورد والمؤلف المشارك للدراسة: “كانت تقنيات استخراج الليثيوم المباشرة مثل تقنيتنا قيد التطوير لفترة من الوقت، والتقنيات الرئيسية المتنافسة حتى الآن تعاني من عيوب كبيرة، مثل عدم القدرة على العمل بشكل مستمر، أو ارتفاع تكاليف الطاقة، أو انخفاض الكفاءة نسبيًا، ويبدو أن طريقتنا لا تعاني من أي من هذه العيوب، ويمكن أن يساهم تشغيلها المستمر في توفير إمدادات أكثر موثوقية من الليثيوم وتهدئة سوق الليثيوم المتقلبة”.

بديلاً قابلاً للتطبيق لتقنيات الاستخراج الحالية

كما أن قابلية التوسع لطريقة RCE واعدة أيضًا، ففي التجارب التي تم فيها زيادة حجم الجهاز أربعة أضعاف، استمرت طريقة RCE في الأداء الجيد، مع بقاء كفاءة الطاقة وانتقائية الليثيوم عالية جدًا.

وقال كوي: “هذا يشير إلى أن هذه الطريقة يمكن تطبيقها على نطاق صناعي، مما يجعلها بديلاً قابلاً للتطبيق لتقنيات الاستخراج الحالية”.

ومع ذلك، تسلط الدراسة الضوء على بعض المجالات التي تحتاج إلى مزيد من البحث والتطوير.

فقد جرب الباحثون نسختين من طريقتهم، إحداهما تستخرج الليثيوم بسرعة أكبر وتستخدم المزيد من الكهرباء، والأخرى أبطأ وتستخدم كهرباء أقل.

وأدى الاستخراج الأبطأ إلى انخفاض التكاليف وغشاء أكثر استقرارًا لاستخراج الليثيوم بشكل مستمر ولفترة طويلة، مقارنة بالاستخراج الأسرع.

وتحت كثافات التيار العالية وتدفق المياه الأسرع، تدهورت الأغشية، مما أدى إلى انخفاض الكفاءة بمرور الوقت.

ورغم أن هذا لم يكن واضحاً في تجربة الاستخلاص الأبطأ، فإن الباحثين يريدون تحسين تصميم جهازهم لتحقيق استخلاص أسرع، وهم يختبرون بالفعل مواد واعدة أخرى للغشاء.

كما أن الباحثين لم يثبتوا استخراج الليثيوم من مياه البحر في هذه الدراسة.

وقال تشانج “من حيث المبدأ، فإن طريقتنا قابلة للتطبيق على مياه البحر أيضًا، ولكن قد تكون هناك مشاكل تتعلق باستقرار الغشاء في مياه البحر”.

ومع ذلك، يظل الفريق متفائلا للغاية، وأضاف شو: “مع استمرار أبحاثنا، نعتقد أن طريقتنا قد تنتقل قريبًا من المختبر إلى التطبيقات الصناعية واسعة النطاق”.