پایان کوره‌های پرمصرف؛ دانشمندان راهی ارزان‌تر برای استخراج لیتیوم پیدا کردند

خلاصه مقاله:

• پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست روشی جدید برای استخراج لیتیوم از سنگ معدن توسعه داده‌اند که می‌تواند ارزان‌تر و سازگارتر با محیط‌زیست باشد. این فناوری به جای استفاده از کوره‌های بسیار داغ، از فلوئورید آمونیوم برای حل کردن کانی‌های سیلیکاتی و آزادسازی لیتیوم استفاده می‌کند.
• حذف مرحله حرارت‌دهی در دماهای بالا می‌تواند مصرف انرژی و انتشار گازهای گلخانه‌ای ناشی از تولید لیتیوم را به‌طور قابل توجهی کاهش دهد. پژوهشگران می‌گویند زمان استخراج لیتیوم با این روش از چند روز به کمتر از ۱۲ ساعت کاهش یافته است.
• فرایند جدید علاوه بر کربنات لیتیوم، محصولات ارزشمند دیگری مانند آلومینا و سیلیس مورد استفاده در صنعت سیمان را نیز تولید می‌کند و ماده شیمیایی مورد استفاده در آن قابل بازیافت است.

در جهانی که تقاضا برای خودروهای برقی و سامانه‌های ذخیره‌سازی انرژی به سرعت در حال افزایش است، لیتیوم به یکی از مهم‌ترین مواد معدنی راهبردی تبدیل شده است. تقریباً همه باتری‌های لیتیوم-یونی که امروزه در خودروهای برقی، تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ‌ها و نیروگاه‌های ذخیره انرژی به کار می‌روند، به این فلز وابسته‌اند. اکنون گروهی از پژوهشگران می‌گویند روشی تازه برای استخراج لیتیوم یافته‌اند که می‌تواند هم هزینه تولید را کاهش دهد و هم اثرات زیست‌محیطی آن را کمتر کند.

یت-مینگ چیانگ، استاد مؤسسه فناوری ماساچوست و از نویسندگان این پژوهش، معتقد است که اگر این فناوری در مقیاس صنعتی پیاده‌سازی شود، می‌تواند به ارزان‌ترین روش استخراج لیتیوم در جهان تبدیل شود.

امروزه اقتصادی‌ترین روش استخراج لیتیوم، بازیابی آن از آب‌نمک‌های طبیعی یا برین است. این آب‌های بسیار شور طی هزاران یا حتی میلیون‌ها سال، لیتیوم را از سنگ‌ها حل کرده و در خود انباشته کرده‌اند. در این روش، آب‌نمک از زیر زمین استخراج می‌شود و سپس در حوضچه‌های تبخیری بسیار بزرگ قرار می‌گیرد تا آب آن به تدریج تبخیر شود و غلظت لیتیوم افزایش یابد.

با وجود مزایای اقتصادی، این روش محدودیت‌های مهمی دارد. نخست آنکه تنها در برخی مناطق خاص جهان که دارای ذخایر غنی آب‌نمک هستند قابل اجرا است. دوم اینکه به زمین‌های وسیعی برای احداث حوضچه‌های تبخیر نیاز دارد و فرایند تغلیظ لیتیوم نیز ممکن است ماه‌ها یا حتی سال‌ها طول بکشد.

به همین دلیل، بخش بزرگی از لیتیوم جهان از معادن سنگ سخت تأمین می‌شود. در این روش، سنگ معدن استخراج و خرد می‌شود و سپس در کوره‌هایی با دمای بسیار بالا حرارت می‌بیند. پس از آن نیز از مواد شیمیایی مختلف برای جداسازی لیتیوم استفاده می‌شود. این فرایند انرژی زیادی مصرف می‌کند و ردپای کربنی قابل توجهی دارد.

پژوهشگران اکنون روشی متفاوت پیشنهاد کرده‌اند. آن‌ها از یک اسید ضعیف برای حل کردن کانی‌های سیلیکاتی استفاده می‌کنند. سیلیکات‌ها گروه بزرگی از مواد معدنی هستند که بخش عمده پوسته زمین را تشکیل می‌دهند و معمولاً واکنش‌پذیری شیمیایی کمی دارند. در روش جدید، این کانی‌ها در شرایط خاصی حل می‌شوند و نه‌تنها لیتیوم، بلکه مواد ارزشمند دیگری نیز از آن‌ها آزاد می‌شود.

جالب آنکه منشأ این پژوهش به پروژه‌ای کاملاً متفاوت بازمی‌گردد. طبق گزارش منتشر شده در وب‌سایت ام‌آی‌تی تکنالجی ریویو، گروه تحقیقاتی ابتدا روی توسعه فناوری تولید سیمان فعالیت می‌کردند. یکی از شرکت‌های تأسیس‌شده توسط چیانگ، یعنی سابلایم سیستمز (Sublime Systems)، در تلاش است سیمان را با استفاده از فرایندهای الکتروشیمیایی و با انتشار کربن کمتر تولید کند.

در جریان این تحقیقات، دانشمندان به دنبال منبعی از سیلیس بسیار واکنش‌پذیر بودند تا بتوانند سیمان‌های مقاوم‌تری بسازند. یکی از راه‌های تولید سیلیس واکنش‌پذیر این است که ابتدا یک ماده سیلیکاتی کم‌واکنش در محلول حل شود و سپس دوباره به صورت جامد رسوب کند. چنین فرایندی ساختار ماده را تغییر می‌دهد و آن را برای واکنش‌های بعدی مناسب‌تر می‌کند.

اما حل کردن سیلیکات‌ها کار ساده‌ای نیست. روش شناخته‌شده برای این کار استفاده از اسید هیدروفلوئوریک است؛ ماده‌ای بسیار خورنده و خطرناک که می‌تواند آسیب‌های شدیدی به بافت‌های بدن وارد کند. برخی مواد دیگر حاوی فلوئور نیز می‌توانند به حل کردن سیلیکات‌ها کمک کنند، اما اغلب در طول واکنش اسید هیدروفلوئوریک تولید می‌کنند و در نتیجه همچنان خطرناک هستند.

چیانگ می‌گوید ایده اصلی این پروژه از خاطره‌ای مربوط به حدود ۲۵ سال پیش شکل گرفت؛ زمانی که در حال بازسازی حمام خانه خود در شهر فرامینگهام ایالت ماساچوست بود. او هنگام کار با شیشه به یاد ماده‌ای افتاد که برای حکاکی روی شیشه استفاده می‌شود و از خود پرسید این ماده دقیقاً از چه چیزی ساخته شده است.

ماده مورد نظر کرم حکاکی شیشه بود؛ محصولی که در بسیاری از فروشگاه‌های ابزار و لوازم هنری فروخته می‌شود. این محصول از فلوئورید آمونیوم استفاده می‌کند؛ ترکیبی که در مقایسه با اسید هیدروفلوئوریک بسیار ضعیف‌تر است.

پژوهشگران مؤسسه فناوری ماساچوست دریافتند که فلوئورید آمونیوم در شرایط مناسب می‌تواند کانی‌های سیلیکاتی را به طور مؤثر حل کند، بدون آنکه اسید هیدروفلوئوریک به عنوان محصول جانبی تولید شود. این کشف راه را برای توسعه فرایندی جدید باز کرد.

از نظر تئوری، این روش می‌تواند روی طیف گسترده‌ای از کانی‌های سیلیکاتی به کار رود. با این حال، پژوهشگران تصمیم گرفتند ابتدا روی اسپودومن تمرکز کنند که مهم‌ترین کانی مورد استفاده در استخراج لیتیوم از معادن سنگ سخت است.

امروزه یکی از مراحل اصلی فرآوری اسپودومن، حرارت دادن آن در کوره‌هایی با دمای بسیار بالا است. این عملیات باعث «تغییر فاز» در ساختار بلوری ماده می‌شود. به زبان ساده، آرایش اتم‌های داخل بلور تغییر می‌کند و ساختار آن متورم‌تر و بازتر می‌شود. همین تغییر باعث می‌شود لیتیوم موجود در سنگ راحت‌تر استخراج شود.

اما این مرحله انرژی بسیار زیادی مصرف می‌کند. به گفته کمدن هانت، مدیرعامل و هم‌بنیان‌گذار راک زیرو، حذف نیاز به این کوره‌ها می‌تواند هزینه‌های انرژی را به شکل چشمگیری کاهش دهد و انتشار گازهای گلخانه‌ای را نیز کمتر کند.

مزیت دیگر این است که برخی انواع سنگ معدن که در روش‌های فعلی به خوبی قابل فرآوری نیستند، ممکن است با فناوری جدید قابل استفاده شوند. برای مثال، سنگ‌هایی که مقدار زیادی آهن دارند در هنگام حرارت دادن به جای تغییر فاز، ذوب شده و به ماده‌ای شیشه‌ای تبدیل می‌شوند. چنین سنگ‌هایی معمولاً ارزش اقتصادی کمتری دارند، اما روش جدید می‌تواند امکان استفاده از آن‌ها را فراهم کند.

در این فناوری، به جای کوره‌های عظیم صنعتی از مخازن پلاستیکی مجهز به همزن استفاده می‌شود. دمای فرایند نیز حداکثر به حدود ۹۵ درجه سانتی‌گراد می‌رسد؛ دمایی که در مقایسه با دماهای مورد نیاز در کوره‌های فعلی بسیار پایین‌تر است.

فلوئورید آمونیوم در این مخازن سیلیکات‌ها را حل می‌کند و لیتیوم را آزاد می‌سازد. آزمایش‌های اولیه نشان داده بودند که تقریباً تمام لیتیوم موجود در سنگ معدن اسپودومن طی چند روز استخراج می‌شود. اما تیم پژوهشی از آن زمان تاکنون موفق شده سرعت فرایند را به شکل قابل توجهی افزایش دهد.

بنجامین موبری، نویسنده اصلی مقاله و مدیر فناوری شرکت راک زیرو که برای تجاری سازی این ایده تاسیس شده است، می‌گوید مدت زمان مورد نیاز اکنون به کمتر از ۱۲ ساعت رسیده است.

این فرایند تنها لیتیوم تولید نمی‌کند. پس از چند مرحله تصفیه، سه محصول ارزشمند به دست می‌آید. نخست کربنات لیتیوم که ماده اولیه اصلی برای تولید بسیاری از باتری‌های لیتیوم-یونی است. دوم آلومینا (آلومینیوم اکسید) که می‌تواند در کارخانه‌های ذوب آلومینیوم استفاده شود. سوم نیز سیلیس سیمانی است که در تولید بتن و مصالح ساختمانی کاربرد دارد. علاوه بر این، فلوئورید آمونیوم مورد استفاده در واکنش نیز قابل بازیافت است و می‌تواند بارها در همان چرخه مورد استفاده قرار گیرد. این ویژگی می‌تواند هزینه‌های عملیاتی و میزان پسماندهای شیمیایی را کاهش دهد.

در حال حاضر، پژوهشگران در حال توسعه و بهینه‌سازی فرایند هستند. سامانه‌های آزمایشگاهی آن‌ها در کمبریج ماساچوست می‌توانند در هر نوبت حدود سه کیلوگرم کنسانتره اسپودومن را پردازش کنند. کنسانتره به ماده‌ای گفته می‌شود که پس از خردایش و جداسازی اولیه، درصد ماده معدنی ارزشمند در آن افزایش یافته است.

تیم تحقیقاتی همچنین تلاش کرده هزینه این فناوری را در مقیاس صنعتی برآورد کند. محاسبات آن‌ها نشان می‌دهد اگر بازیافت فلوئورید آمونیوم با بازده بالا انجام شود، هزینه استخراج لیتیوم می‌تواند به کمتر از شش هزار دلار برای هر تن متریک برسد. پژوهشگران همچنین یک منبع صنعتی ارزان برای تأمین فلوئورید آمونیوم شناسایی کرده‌اند که در صورت نیاز می‌تواند جایگزین بازیافت شود.

بر اساس این برآوردها، هزینه نهایی این روش از بسیاری از فناوری‌های فعلی استخراج لیتیوم از سنگ سخت کمتر خواهد بود و حتی ممکن است با روش‌های مبتنی بر آب‌نمک نیز رقابت کند.

تیم راک زیرو طراحی یک واحد آزمایشی را تکمیل کرده و اکنون به دنبال مکانی برای ساخت آن است. برنامه این شرکت آن است که ساخت این تأسیسات تا پایان سال ۲۰۲۶ به پایان برسد و فعالیت آن در سال ۲۰۲۷ آغاز شود. همچنین مذاکراتی با شرکت‌های معدنی مختلف برای همکاری در حال انجام است.

با این حال، مسیر تجاری‌سازی چنین فناوری‌هایی همیشه هموار نیست. یکی از مهم‌ترین چالش‌ها، نوسانات شدید بازار لیتیوم است. قیمت این فلز در سال‌های اخیر فراز و فرودهای چشمگیری را تجربه کرده است.

سایمون جوویت، رئیس بخش زمین‌شناسی اکتشافی در دانشگاه نوادا، رینو می‌گوید افزایش قیمت لیتیوم می‌تواند به نفع شرکت‌های نوظهوری مانند راک زیرو باشد. اما در صورت بالا رفتن قیمت‌ها، پروژه‌های معدنی متعددی نیز وارد بازار خواهند شد و همین مسئله می‌تواند دوباره باعث کاهش قیمت شود. جوویت همچنین یادآوری می‌کند که با وجود رشد سریع صنعت باتری، بازار جهانی لیتیوم هنوز در مقایسه با بسیاری از مواد معدنی دیگر نسبتاً کوچک است. همین موضوع باعث می‌شود عرضه و تقاضا تأثیر زیادی بر قیمت‌ها داشته باشند و نوسانات شدید رخ دهد.

او همچنین معتقد است برخی برآوردهای اقتصادی راک زیرو ممکن است خوش‌بینانه باشند. علاوه بر رقابت با شرکت‌های بزرگ استخراج لیتیوم، فناوری‌های جایگزین نیز می‌توانند در آینده بر بازار تأثیر بگذارند. برای مثال، باتری‌های سدیم-یونی که به لیتیوم نیاز ندارند، در سال‌های اخیر پیشرفت قابل توجهی داشته‌اند و ممکن است در برخی کاربردها به گزینه‌ای رقابتی تبدیل شوند.

با وجود همه این چالش‌ها، هدف راک زیرو محدود به لیتیوم نیست. پژوهشگران امیدوارند در آینده بتوانند همین فناوری را برای استخراج مواد معدنی دیگر نیز به کار بگیرند. به گفته بنجامین موبری، این چشم‌انداز بسیار گسترده است، زیرا بخش عمده پوسته زمین از کانی‌های سیلیکاتی تشکیل شده است و اگر بتوان این مواد را به شکلی ارزان، ایمن و کارآمد فرآوری کرد، فرصت‌های تازه‌ای برای صنایع معدنی و تولید مواد اولیه در سراسر جهان ایجاد خواهد شد.

پژوهش در ژورنال Science منتشر شده است.