مع تطور تقنيات استخلاص الليثيوم .. هل سيسهم ذلك في تعزيز مستقبل الطاقة ‏النظيفة؟

طور باحثون في كلية الهندسة بجامعة برينستون نهجًا جديدًا يقلل من الأرض ‏والوقت اللازمين لاستخراج الليثيوم من الماء المالح، وهو ما يمكن أن يوسع بشكل ‏كبير إمكانية الوصول إلى المعدن المهم. 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.‏

اليوم، يأتي إنتاج المعدن الأبيض الفضي بتكاليف بيئية كبيرة. من بينها المساحة ‏الهائلة من الأراضي والوقت اللازم لاستخراج الليثيوم من المياه المالحة، مع ‏عمليات كبيرة تصل إلى عشرات الأميال المربعة وغالبًا ما تتطلب أكثر من عام ‏لبدء الإنتاج. لكن في الوقت الحالي يعتبر الليثيوم عنصرًا حيويًا في البطاريات التي ‏تشكل قلب المركبات الكهربائية وتخزين طاقة الشبكة، ويرى البعض أن الليثيوم هو ‏المفتاح لمستقبل الطاقة النظيفة.‏

جوهر هذه التقنية، الموصوفة في مجلة ‏Nature Water، عبارة عن مجموعة من ‏الألياف المسامية الملتوية في خيوط، والتي صممها الباحثون لتكون ذات 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. 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 بالحصاد بسهولة.‏

وبالإضافة إلى تركيز الأملاح، تتسبب هذه التقنية في تبلور الليثيوم والصوديوم في ‏مواقع مختلفة على طول الخيط بسبب اختلاف خصائصهما الفيزيائية. يتبلور ‏الصوديوم منخفض الذوبان في الجزء السفلي من الخيط، بينما تتبلور أملاح الليثيوم ‏عالية الذوبان بالقرب من الجزء العلوي. وقد أتاح الفصل الطبيعي للفريق جمع ‏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 وقائد فريق البحث: "كنا نهدف إلى الاستفادة من العمليات ‏الأساسية للتبخر والعمل الشعري للتركيز والفصل". وحصاد الليثيوم. نحن لا ‏نحتاج إلى استخدام مواد كيميائية إضافية، كما هو الحال مع العديد من تقنيات ‏الاستخراج الأخرى، كما توفر العملية الكثير من المياه مقارنة بطرق التبخر ‏التقليدية.‏

وأضاف رين: "نهجنا رخيص وسهل التشغيل ويتطلب القليل جدًا من الطاقة. إنه ‏حل صديق للبيئة لتحدي الطاقة الحرج.‏

ويتضمن استخراج الماء الملحي التقليدي 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. هذه العمليات ‏قابلة للتطبيق تجاريًا فقط في عدد قليل من المواقع حول العالم التي تحتوي على ‏تركيزات عالية بما فيه الكفاية من الليثيوم، ووفرة من الأراضي المتاحة، ومناخ ‏جاف لتحقيق أقصى قدر من التبخر. على سبيل المثال، لا توجد سوى عملية واحدة ‏نشطة لاستخراج الليثيوم باستخدام محلول ملحي في الولايات المتحدة، وتقع في ‏ولاية نيفادا وتغطي مساحة تزيد عن سبعة أميال مربعة.‏

ويمكن أن تسهم التقنية 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 ‏التبخر تتم عملية المعالجة بأكثر من 20 مرة مقارنة بأحواض التبخير التقليدية، مما ‏قد يؤدي إلى إنتاج محصول أولي من الليثيوم في أقل من شهر واحد.‏

ويمكن للعمليات المدمجة ومنخفضة التكلفة والسريعة أن توسع نطاق الوصول ‏ليشمل مصادر جديدة للليثيوم، مثل آبار النفط والغاز المهجورة ومحاليل الطاقة ‏الحرارية الأرضية، التي تعد حاليًا صغيرة جدًا أو مخففة جدًا لاستخراج الليثيوم. ‏وقال الباحثون إن معدل التبخر المتسارع يمكن أن يسمح أيضًا بالعمل في المناخات ‏الأكثر رطوبة. بل إنهم يحققون فيما إذا كانت التكنولوجيا ستسمح باستخراج الليثيوم ‏من مياه البحر.

علق سونكسيانج (شون) تشنغ، المؤلف المشارك في الدراسة وزميل ما بعد ‏الدكتوراه المتميز السابق في مركز أندلينجر، قائلاً: "عمليتنا تشبه وضع بركة تبخر ‏على خيط، مما يسمح لنا بالحصول على محاصيل الليثيوم مع بصمة مكانية ‏منخفضة بشكل كبير ومع مراقبة أكثر دقة للعملية. وإذا تم التوسع في ذلك، فقد نفتح ‏آفاقًا جديدة لاستخراج الليثيوم الصديق للبيئة.

وبما أن المواد اللازمة لإنتاج الأوتار رخيصة الثمن وأن 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.‏

ويعمل 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 ذلك. إلى الليثيوم. بالتعاون مع كيلسي هاتزيل، الأستاذ ‏المساعد في الهندسة الميكانيكية وهندسة الطيران ومركز أندلينجر للطاقة والبيئة، ‏تلقى رين أيضًا تمويلًا أوليًا من مركز برينستون للمواد المعقدة لفهم عملية التبلور ‏بشكل أفضل.‏

يقود ‏Zheng‏ إطلاق شركة ناشئة، ‏PureLi Inc‏.، لبدء عملية تحسين التكنولوجيا ‏وتقديمها في النهاية إلى السوق الأوسع. تم اختيار تشنغ كواحد من أربعة باحثين في ‏مجموعة ‏START Entrepreneurs‏ الافتتاحية في جامعة برينستون، وهي عبارة ‏عن زمالة أكاديمية ومسرع للشركات الناشئة مصممة لتعزيز ريادة الأعمال ‏الشاملة.‏

قال تشنغ: "باعتبارك باحثًا، فإنك تعرف بشكل مباشر أن العديد من التقنيات ‏الجديدة باهظة الثمن أو يصعب توسيع نطاقها". "لكننا متحمسون جدًا لهذا ‏المشروع، ومع بعض التحسينات الإضافية في الكفاءة، نعتقد أن لديه إمكانات مذهلة ‏لإحداث تأثير حقيقي على العالم."‏

وهذا يبدو جيدا حقا. ويصدق المرء التوقعات عندما تكون هناك ثقة عالية في ‏تقديرات الأداء التي تظل ثابتة من خلال التوسع. لا يزال هذا بمثابة "إذا" ويمكن ‏أن يؤدي أداءً أفضل.‏

لكن المنتجات النهائية التي تستخدم الليثيوم لأغراض الطاقة تحتوي على مواد إنتاج ‏أخرى ذات تكلفة عالية وإشكالية. قد يكون الليثيوم عنصرًا كبيرًا الحجم، لكن هناك ‏عناصر أخرى بالغة الأهمية ويصعب الحصول عليها في ظروف خاصة بها. ولكن ‏يبدو أن الفصل الجديد قد انتهى الآن. المزيد قادم. لنأمل أن تكون لقصص العش ‏إمكانيات جيدة.‏