الاستفادة من أحواض الطاقة الحرارية الأرضية لتلبية احتياجاتنا من الليثيوم

البحث عن المزيد من الليثيوم

مع صعود السيارات الكهربائية، ازداد الطلب على بطاريات الليثيوم أيون بشكل كبير، كما ازدادت الحاجة إلى موارد الليثيوم. ومن المتوقع أن يستمر هذا الطلب في النمو بشكل كبير، مع الأخذ في الاعتبار فقط مدى انحدار هذا المنحنى، اعتمادًا على سرعة تبني السيارات الكهربائية.

المصدر رجل دولة

وقد تسبب هذا في حدوث مشكلات، حيث يصعب استخراج الليثيوم. وفي الماضي، تسبب هذا في تقلبات حادة في الأسعار، مما تسبب في تقلبات حادة في تكاليف المدخلات بالنسبة لمصنعي البطاريات والمركبات الكهربائية.

المصدر الكربون الائتمان

في الوقت الحالي، يتم إنتاج الليثيوم في الغالب من الصخور الصلبة، أو المياه المالحة، وكلاهما يتطلب استهلاك قدر كبير من الطاقة أو المياه.

ومن بين البدائل الممكنة إنتاج الليثيوم من المحاليل الملحية الحرارية الأرضية، وهي المياه الموجودة في الرواسب الجوفية. ولكن هذه الفكرة كانت صعبة من الناحية الفنية.

ربما كان هذا ليتغير بفضل عمل الباحثين في جامعة رايس، الذين نشروا نتائجهم في النشرة المرموقة PNAS (وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم) تحت عنوان "مفاعل كهروكيميائي بثلاث غرف لاستخراج الليثيوم بشكل انتقائي من المحلول الملحي¹".

من أين يأتي الليثيوم؟

يشكل الليثيوم 0.002% فقط من قشرة الأرض ونادراً ما يوجد في رواسب مركزة قابلة للاستخدام تجارياً.

حاليًا، تُستخرج معظم بطاريات العالم والليثيوم المُكرّر من الصين. ويُستخرج هذا المعدن أساسًا من "مثلث الليثيوم" (تشيلي، الأرجنتين، بوليفيا)، والصين، وأستراليا.

المصدر التقدم في العلوم الطبيعية

وقد دفع هذا دولاً أخرى إلى البحث عن مصادر بديلة، وكانت المياه المالحة الجوفية مرشحة جيدة. على سبيل المثال، تم اكتشاف مؤخراً أن قد تحتوي أركنساس على المزيد من موارد الليثيوم في المحلول الملحي الموجود بجوار رواسب النفط والغاز مقارنة بجميع احتياطيات الليثيوم المعروفة سابقًا في الولايات المتحدة.

غالبًا ما تحتوي هذه المحاليل الملحية على تركيز عالٍ نسبيًا من الليثيوم. والمشكلة هي كيفية استخراج الليثيوم من هذه المحاليل الملحية، حيث تحتوي عادةً على مزيج معقد من المعادن الأخرى أيضًا.

ونظراً لأن هذه المحاليل الملحية شديدة التركيز، فإن عملية الاستخلاص المباشر لليثيوم تعتبر بديلاً لمسبح التبخير الكبير المستخدم حتى الآن.

المصدر يورونيوز

استخراج الليثيوم المباشر

يستهدف الاستخلاص المباشر ذرات الليثيوم من خلال عملية استخلاص انتقائية. ويمكن تحقيق ذلك من خلال عدد قليل من الأساليب المختلفة:

• امتصاص الليثيوم القائم على الامتصاص، حيث يتم امتصاص الليثيوم فعليًا بواسطة مادة مخصصة.
• DLE القائم على التبادل الأيوني، حيث يتم تبادل الليثيوم مقابل الكاتيونات (الأيونات الموجبة).
• الاستخلاص بالمذيبات القائم على DLE، حيث يمتص المذيب السائل العضوي الليثيوم ويذيبه بعيدًا عن المحلول الملحي.

المصدر حصاد الليثيوم

استخراج الليثيوم بالطرق الكهروكيميائية

هناك خيار آخر لم يتم استكشافه كثيرًا وهو استخراج الليثيوم بالطرق الكهروكيميائية. وتتلخص الفكرة في استخدام تيار كهربائي قوي لفصل الليثيوم عن المعادن الأخرى الموجودة في المحلول الملحي.

كما ذكرنا، تحتوي هذه المحاليل الملحية على العديد من المعادن الأخرى ذات الأحجام والشحنات الأيونية المماثلة بما في ذلك المغنيسيوم والكالسيوم والصوديوم والبوتاسيوم. وهذا يجعل أي طريقة تعتمد على خصائص الأيونات فقط صعبة، حيث يتعين عليك القيام بذلك عدة مرات لتحديد الليثيوم فقط.

قد يكون البديل هو استخدام التيار الكهربائي بدلاً من ذلك، ولكن المحاليل الملحية تحتوي غالبًا على الكثير من أيونات الكلوريد التي يمكن أن تتحول إلى غاز الكلور السام للغاية أثناء العمليات الكهروكيميائية التقليدية لعزل الليثيوم.

كان غاز الكلور، المعروف أيضًا باسم الهالوجين، يستخدم بشكل خاص كغاز قتالي أثناء الحرب العالمية الأولى. ومع ذلك، فإن مشكلة إنتاجه أثناء استخراج الليثيوم الكهروكيميائي حالت حتى الآن دون استخدام هذه التكنولوجيا تجاريًا.

استخدام تكنولوجيا البطاريات لاستخراج الليثيوم

ومن المفارقات أن الابتكارات في تكنولوجيا البطاريات قد تساعد في حل مشكلة استخراج الليثيوم لنفس البطاريات. فقد استخدم باحثو جامعة رايس غشاء السيراميك الزجاجي الموصل للكهرباء من أيونات الليثيوم (LICGC) الذي تم تطويره حديثًا، وهي تقنية تُستخدم غالبًا في البطاريات ولكن لم يتم تطبيقها من قبل على معالجة الليثيوم. ويُعد غشاء السيراميك الزجاجي الموصل للكهرباء من أيونات الليثيوم مادة إلكتروليت صلبة وهي مرشحة جيدة لبناء بطاريات الحالة الصلبة.

يعتبر الغشاء فعالاً للغاية في السماح فقط بمرور أيونات الليثيوم بشكل انتقائي مع منع أيونات المواد الكيميائية الأخرى.

مفاعل كهروكيميائي مكون من 3 غرف

تم تصميم المفاعلات الكهروكيميائية التقليدية لاستخراج الليثيوم حول غرفتين: تحتوي الأولى على المحلول الملحي المستهدف، وتحتوي الثانية على الليثيوم المستخرج.

ومن خلال إضافة غشاء LICGC في المنتصف، أنشأ الباحثون غرفة ثالثة وسيطة، حيث يمكن لليثيوم فقط أن يمر عبر LICGC.

"لقد عانى مجالنا لفترة طويلة من عدم الكفاءة والتأثيرات البيئية الناجمة عن استخراج الليثيوم. ويشكل هذا المفاعل شهادة على قوة الجمع بين العلوم الأساسية والإبداع الهندسي لحل المشاكل الواقعية."

هاو تيان وانج، أستاذ مشارك في الهندسة الكيميائية والبيولوجية الجزيئية في جامعة رايس.

خلال الاختبارات التي أجراها الباحثون، بلغت نسبة نقاء الليثيوم 97.5%. وفي الوقت نفسه، كانت تركيزات Na+ وK+ وMg2+ وCa2+ منخفضة للغاية بحيث انخفضت إلى ما دون حد الكشف الذي حددته أجهزة الباحثين.

والأمر الأكثر أهمية هو أن هذا التصميم فعّال بشكل خاص في إبعاد أيونات الكلوريد، مما يقلل بشكل كبير من إنتاج غاز الكلور. فبدلاً من استهلاك قدر كبير من الطاقة وإنتاج غازات ضارة، تفاعل 6.4% فقط من إجمالي الطاقة مع أيونات الكلور في التصميم الجديد.

 لا تزال هناك بعض القضايا تحتاج إلى إصلاح

أثناء الاختبار، لاحظ الباحثون تراكم أيونات الصوديوم على غشاء LICGC. وإذا تُرِك هذا التراكم دون علاج، فقد يؤثر على كفاءة المفاعل بمرور الوقت. لذا، حتى يتم حل هذه المشكلة، لن يكون المفاعل الكهروكيميائي المكون من ثلاث غرف جاهزًا للاستخدام على نطاق تجاري.

ومن بين الإمكانيات التي تم النظر فيها لحل المشكلة معالجة المحلول الملحي مسبقًا لتقليل محتوى الصوديوم.

وهناك طريقة أخرى تتمثل في العثور على طلاءات غشائية متخصصة لمنع أيونات الصوديوم من الارتباط في المقام الأول.

الاستثمار في تكنولوجيا الليثيوم والبطاريات

لقد غيرت بطاريات الليثيوم أيون العالم عدة مرات بالفعل، بدءًا من السماح للناس بحمل الأجهزة الإلكترونية المتقدمة في كل مكان إلى تشغيل السيارات بالكهرباء فقط.

قد يتمكنون من فعل ذلك مرة أخرى، أو أنواع أخرى من البطاريات، من خلال السماح بشبكة طاقة متجددة بنسبة 100% أو السماح بكهربة الطائرات عند الوصول إلى كثافة طاقة عالية بما فيه الكفاية.

يمكنك الاستثمار في الشركات المتعلقة بالبطاريات من خلال العديد من الوسطاء، ويمكنك أن تجد هنا على موقع Securities.io توصياتنا لأفضل الوسطاء في الولايات المتحدة الأمريكية, كندا, أستراليا, المملكة المتحدة, وكذلك العديد من البلدان الأخرى.

إذا لم تكن مهتمًا باختيار شركات الليثيوم أو البطاريات المحددة، فيمكنك أيضًا البحث في صناديق الاستثمار المتداولة في التكنولوجيا الحيوية مثل Amplify Lithium & Battery Technology ETF (BATT)، X العالمية صندوق الاستثمار المتداول لتكنولوجيا الليثيوم والبطاريات (LIT)، أو ويزدوم تري لحلول البطاريات UCITS ETF، مما سيوفر تعرضًا أكثر تنوعًا للاستفادة من صناعة الليثيوم والبطاريات المتنامية.

أو يمكنك استشارة "أفضل 10 أسهم في مجال تعدين معادن البطاريات والطاقة المتجددة".

شركة استخراج الليثيوم المباشر

رين تينتو

تعتبر شركة ريو تينتو عملاقًا في صناعة التعدين (ثاني أكبر شركة في العالم)، ولها حضور قوي في تعدين الحديد، بالإضافة إلى النحاس والألمنيوم والذهب واليورانيوم وغيرها.

تتوسع شركة ريو تينتو بسرعة، ولا سيما مع مشروع منجم الحديد العملاق في سيماندو في غينيا ومنجم النحاس أويو تولجوي، وهو أكبر مشروع في تاريخ منغوليا.

ومن المتوقع أن توفر شركة Rio Tinto 25% من حجم النمو في إمدادات النحاس العالمية في السنوات الخمس المقبلة.

وقد قامت مؤخرًا بدخول ضخم في قطاع تعدين الليثيوم، من خلال الاستحواذ على شركة الليثيوم العملاقة Arcadium Lithium، وهي نتيجة اندماج منتجي الليثيوم الكبار Allkem & Livent في عام 2023، مما يجعلها ثالث أكبر منتج لليثيوم في العالم.

المصدر Arcadium

أدى الاندماج إلى إنشاء شركة في جميع مراحل إنتاج ومعالجة الليثيوم. لدى شركة أركاديوم خطط توسعية لمضاعفة الطاقة الإنتاجية بأكثر من الضعف بحلول نهاية عام 2028

ابتكارات أركاديوم

DLE

وفيما يتعلق بهذا الاستحواذ، فقد تم وصف ما يلي بـ "الجائزة الحقيقية لشركة ريو تينتو"" هي تقنية الاستخلاص المباشر لليثيوم (DLE) من شركة Arcadium. لقد عملت شركة Arcadium بالفعل على DLE منذ عام 1996، بالاشتراك مع رطل التبخر، وقد أحرزت مؤخرًا تقدمًا كبيرًا في جعلها قابلة للتطبيق تجاريًا كطريقة استخراج مستقلة.

أبرز، استحوذت شركة Livent على شركة ILiAD Technologies في عام 2023.

"تجمع منصة تكنولوجيا ILiAD بين مادة ماصة انتقائية فائقة الجودة لليثيوم ومعالجة مستمرة للتيار المعاكس"

"تعتبر شركة Livent الشركة الرائدة عالميًا في مجال ممارسات وأكبر مستخدم لعمليات الإنتاج القائمة على DLE، ونحن سعداء للغاية لأنهم أدركوا المزايا التي يجلبها ILiAD لمستقبل DLE.

ويبدو أن الخبرة الطويلة التي تتمتع بها شركة أركاديوم مع شركة دي إل إي، و"المجموعة الواسعة من المحاليل الملحية المحملة بالليثيوم في ظل مجموعة واسعة من الظروف" التي توفرها شركة إلياد كانت السبب الرئيسي وراء قرار شركة ريو تينتو بالاستحواذ على شركة أركاديوم، بالإضافة إلى تقييمها المنخفض بسبب الطبيعة الدورية لأسواق الليثيوم.

وفي حين أن الاستخلاص الكهروكيميائي لليثيوم قد يحل محل الأساليب القائمة على المواد الماصة على المدى الطويل، فمن المرجح أيضاً أن تؤتي الخبرة في الاستخلاص الكهروكيميائي لليثيوم على نطاق واسع ثمارها على أي حال إذا أصبحت هذه هي الطريقة الرئيسية لاستخراج الليثيوم في المستقبل.

رقائق الليثيوم

كما قامت شركة أركاديوم بتطوير LIOVIX، وهو شكل من أشكال رقائق الليثيوم القابلة للطباعة والتي يمكن استخدامها لتعزيز أداء البطاريات وتقليل تكاليف التصنيع وتقليل استخدام الليثيوم.

المصدر Arcadium

الملف الأخضر لشركة ريو تينتو

وضع استحواذ شركة أركاديوم شركة ريو تينتو بقوة في معسكر المبتكرين في صناعة التعدين بعد ابتكارها في استخراج النحاس من خلال مشروعها نوتون. تسمح التكنولوجيا الجديدة التي تقدمها شركة نوتون بتحقيق معدل أعلى بكثير من استخلاص النحاس من الخام المستخرج.

إنتاج شركة ريو تينتو للألمنيوم منخفض الكربونوذلك بفضل استخدام الطاقة الكهرومائية في تنقية البوكسيت وتحويله إلى الألومينا ثم إلى الألومنيوم.

كما استثمرت شركة ريو تينتو أيضًا في مشاريع ليثيوم أخرى، حيث استحوذت مؤخرًا على مشروع Ricon في الأرجنتين و مبادئ السلوك  مشروع جادار لليثيوم المثير للجدل في صربيا (الذي من المحتمل أن يكون أكبر مشروع ليثيوم في أوروبا).

وبفضل عمليات الاستحواذ الأخيرة والمشاريع الجديدة، ينبغي النظر إلى شركة ريو تينتو بشكل متزايد باعتبارها شركة تعدين حديد في المقام الأول، مع صورة خضراء متزايدة ونمو قوي في جميع المعادن التي يتطلبها التحول في مجال الطاقة، وخاصة النحاس والألمنيوم منخفض الكربون والليثيوم.

مرجع الدراسة:

^{1. Feng, Y., Park, Y., Hao, S., Fang, Z., Terlier, T., Zhang, X., Qiu, C., Zhang, S., Chen, F., Zhu, P., Nguyen, Q., Wang, H., & Biswal, SL (2024). مفاعل كهروكيميائي بثلاث غرف لاستخراج الليثيوم بشكل انتقائي من المحلول الملحي. وقائع الأكاديمية الوطنية للعلوم ، 121(47) ، e2410033121. https://doi.org/10.1073/pnas.2410033121}