استخراج لیتیوم

تقاضای باتری لیتیوم یونی روز به روز در حال افزایش است. بنابراین من یک سوال در ذهن خود داشتم که این لیتیوم از کجا می آید؟ کدام کشورها لیتیوم تولید می کنند؟ فرآیندهای استخراج لیتیوم چیست؟ در نهایت، من به این موضوع رسیده‌ام که لیتیوم از کجا می‌آید، و در این مقاله، می‌خواهم جزئیات استخراج/استخراج لیتیوم را به اشتراک بگذارم.

در جدول تناوبی، عدد اتمی لیتیوم 3 است، به این معنی که لیتیوم دارای 1 الکترون ظرفیتی در مدار خود است و بنابراین لیتیوم یک فلز قلیایی بسیار واکنش پذیر است. به همین دلیل است که لیتیوم به شکل عنصری در دسترس نیست، بلکه می توانیم لیتیوم را به عنوان ترکیبات لیتیومی پیدا کنیم. در شرایط استاندارد، سبک ترین فلز و سبک ترین عنصر جامد است. لیتیوم یک فلز قلیایی است که گرما و هدایت الکتریکی عالی را ارائه می دهد.  این ویژگی ها آن را به ویژه برای ساخت شیشه، روان کننده های با دمای بالا، مواد شیمیایی، داروها و باتری های لیتیوم یون برای خودروهای الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مفید می کند.

ما از باتری‌های لیتیوم یونی در وسایل نقلیه الکتریکی، تلفن‌های همراه، اینورترها و غیره استفاده می‌کنیم. تقاضای جهان برای لیتیوم هر روز در حال افزایش است و به‌ویژه به دلیل افزایش استفاده از لیتیوم در فناوری‌های جدید باتری الکترونیکی مصرفی و خودروهای الکتریکی است. در حالی که احتمالاً در مورد باتری های لیتیومی شنیده اید، ممکن است بخواهید بدانید که این همه لیتیوم از کجا می آید و چگونه تولید می شود. اگر چنین است، ممکن است بپرسید "استخراج لیتیوم چیست و چگونه کار می کند؟"

استخراج و پردازش لیتیوم می تواند به شدت به منبع فلز بستگی داشته باشد، بنابراین در این مقاله، نگاهی به برخی از استراتژی های معمولی تولید لیتیوم و نحوه مقایسه آنها خواهیم داشت.

استخراج لیتیوم چیست؟

لیتیوم یک فلز قلیایی بسیار واکنش پذیر است که گرما و هدایت الکتریکی عالی را ارائه می دهد.  این ویژگی ها آن را به ویژه برای ساخت شیشه، روان کننده های با دمای بالا، مواد شیمیایی، داروها و باتری های لیتیوم یون برای خودروهای الکتریکی و لوازم الکترونیکی مصرفی مفید می کند. با این حال، به دلیل واکنش پذیری بالا، لیتیوم عنصری خالص در طبیعت یافت نمی شود، اما در عوض به عنوان ترکیبی از نمک ها یا ترکیبات دیگر وجود دارد. به طور مشابه، بیشتر لیتیوم تجاری به شکل کربنات لیتیوم در دسترس است، که یک ترکیب نسبتاً پایدار است که می تواند به راحتی به سایر نمک ها یا مواد شیمیایی تبدیل شود.

نمک های لیتیوم در ذخایر زیرزمینی آب نمک، سنگ معدنی و خاک رس و همچنین در آب دریا و آب نمک چاه های زمین گرمایی یافت می شوند. طبق تعریف، استخراج لیتیوم مجموعه ای از فرآیندهای شیمیایی است که در آن لیتیوم از یک نمونه جدا می شود و به شکل قابل فروش لیتیوم تبدیل می شود ، که عموماً یک ترکیب پایدار و در عین حال قابل تبدیل آسان مانند کربنات لیتیوم است. اکثر فرآیندهای استخراج لیتیوم مستلزم نوعی استخراج معدن برای رسیدن به ذخایر زیرزمینی مواد معدنی غنی از لیتیوم یا آب نمک است.

در حالی که لیتیوم هم در خشکی و هم در دریا نسبتاً فراوان است، تنها منابع کمی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه در نظر گرفته می شوند. انتظار می‌رود که این امر در سال‌های آینده تغییر کند زیرا فناوری‌های جدید استخراج از منابع جایگزین لیتیوم را مقرون به صرفه‌تر می‌کنند.

استخراج لیتیوم چگونه کار می کند؟

لیتیوم تجاری از دو منبع اصلی ناشی می شود: ذخایر آب نمک زیرزمینی و ذخایر سنگ معدنی. روش های استخراج و پردازش لیتیوم بسته به ماده منبع متفاوت است و شامل موارد زیر است:

استخراج معمولی لیتیوم آب نمک

مقدار قابل توجهی از لیتیوم امروزی از مخازن آب نمک مایع که در زیر نمکزارها قرار دارند، به نام سالار استخراج می شود که بیشتر آنها در جنوب غربی آمریکای جنوبی و چین قرار دارند. از دیگر منابع آب نمک غنی از لیتیوم می توان به آب نمک زمین گرمایی و میدان نفتی اشاره کرد که در زیر به آنها اشاره می شود.

بازیابی آب نمک لیتیوم معمولاً یک فرآیند ساده اما طولانی است که ممکن است از چند ماه تا چند سال طول بکشد. حفاری برای دسترسی به ذخایر آب نمک سالار زیرزمینی مورد نیاز است و سپس آب نمک به سطح پمپ می شود و به حوضچه های تبخیر توزیع می شود. آب نمک به مدت چند ماه یا سال در حوضچه تبخیر باقی می ماند تا زمانی که بیشتر محتوای آب مایع از طریق تبخیر خورشیدی حذف شود. آب نمک سالار بسیار غلیظ است و علاوه بر لیتیوم، معمولاً حاوی پتاسیم و سدیم نیز می باشد. تأسیسات معمولاً چندین حوضچه بزرگ تبخیر در سنین مختلف را اداره می کنند و ممکن است فلزات دیگر (مثلاً پتاسیم) را از حوضچه های جوان استخراج کنند در حالی که منتظر می مانند تا محتوای لیتیوم به غلظت مطلوب برای پردازش بیشتر برسد.در برخی موارد از اسمز معکوس (RO) برای تغلیظ آب نمک لیتیوم برای تسریع فرآیند تبخیر استفاده می شود.

هنگامی که آب نمک در حوضچه تبخیر به غلظت لیتیوم ایده آل رسید، آب نمک برای استخراج به یک مرکز بازیافت لیتیوم پمپ می شود. این فرآیند بسته به ترکیب میدان آب نمک متفاوت است، اما معمولاً شامل مراحل زیر است:

• پیش فرآوری. این مرحله معمولاً از فیلتراسیون و/یا تصفیه تبادل یونی برای حذف هر گونه آلاینده یا ترکیبات ناخواسته از آب نمک استفاده می کند.
• درمان شیمیایی. در مرحله بعد، ممکن است یک سری از حلال ها و معرف های شیمیایی برای جداسازی محصولات و محصولات جانبی مطلوب از طریق رسوب استفاده شود.
• فیلتراسیون.  سپس آب نمک فیلتر می شود تا جامدات رسوب شده جدا شوند.
• تولید لیتیوم قابل فروش آب نمک در نهایت با یک معرف مانند کربنات سدیم برای تشکیل کربنات لیتیوم تصفیه می شود و سپس محصول فیلتر شده و برای فروش خشک می شود. بسته به محصول مورد نظر، معرف های مختلفی ممکن است برای تولید سایر اشکال رایج لیتیوم مانند لیتیوم هیدروکسید، لیتیوم کلرید، لیتیوم بروماید و بوتیل لیتیوم استفاده شود.

پس از اتمام فرآیند استخراج لیتیوم، محلول آب نمک باقیمانده به مخزن زیرزمینی بازگردانده می شود.

استخراج سنگ سخت / لیتیوم اسپودومن

در حالی که سهم نسبتا کمی از تولید لیتیوم جهان را به خود اختصاص می دهد، ذخایر سنگ معدنی سالانه نزدیک به 20 تن لیتیوم تولید می کنند. بیش از 100 ماده معدنی مختلف حاوی مقداری لیتیوم هستند، با این حال، تنها پنج ماده به طور فعال برای تولید لیتیوم استخراج می شوند. اینها شامل اسپودومن است که تا حد زیادی رایج ترین است، و همچنین لپیدولیت، پتالیت، آمبلیگونیت و یوکریپیت.

ذخایر سنگ معدنی اغلب از نظر محتوای لیتیوم غنی تر از آب نمک سالار هستند، با این حال، دسترسی به آنها پرهزینه است زیرا باید از سازندهای سنگ سخت استخراج شوند. با توجه به مصرف انرژی، مواد شیمیایی و موادی که در استخراج لیتیوم از سنگ معدنی دخیل هستند، این فرآیند می تواند دو برابر هزینه بازیافت آب نمک را به همراه داشته باشد، عاملی که به سهم کمتر آن در بازار کمک کرده است.

فرآیند بازیابی لیتیوم از سنگ معدن می تواند بر اساس ذخایر معدنی خاص مورد نظر متفاوت باشد. به طور کلی، این فرآیند مستلزم حذف مواد معدنی از زمین و سپس گرم کردن و پودر کردن آن است. پودر معدنی خرد شده با واکنش دهنده های شیمیایی مانند اسید سولفوریک ترکیب می شود، سپس دوغاب حرارت داده می شود، فیلتر می شود و از طریق فرآیند تبخیر غلیظ می شود تا کربنات لیتیوم قابل فروش را تشکیل دهد، در حالی که فاضلاب حاصل برای استفاده مجدد یا دفع تصفیه می شود.

سایر فرآیندهای استخراج لیتیوم

علاوه بر آب نمک سالار و سنگ معدنی، لیتیوم را می توان از چند منبع دیگر نیز تولید کرد، اگرچه چنین تولیدی در حال حاضر گسترده نیست. این منابع دیگر لیتیوم عبارتند از:

• خاک رس هکتوریت. تحقیقات و توسعه گسترده‌ای در توسعه تکنیک‌های پردازش خاک رس مؤثر، از جمله شستشوی اسیدی، قلیایی، کلریدی و سولفات، و همچنین تجزیه آب و تصفیه هیدروترمال سرمایه‌گذاری شده است. تا به امروز، هیچ یک از این فناوری ها از نظر اقتصادی برای استخراج لیتیوم از خاک رس ثابت نشده است.
• آب دریا. تخمین زده می‌شود که صدها میلیارد تن لیتیوم در اقیانوس‌های ما وجود داشته باشد، که آن‌ها را به منبعی جذاب برای تامین نیاز آینده لیتیوم تبدیل می‌کند. در حالی که فرآیندهای موجود - از جمله فرآیند استخراج همزمان با بارش و فرآیند جذب IX هیبریدی - در استخراج لیتیوم از آب دریا موفق شده‌اند، فناوری‌های غشایی جدیدتر نوید بیشتری برای کاهش هزینه‌های استخراج آب دریا نشان می‌دهند .
• آب نمک بازیافت شده از نیروگاه های انرژی. با افزایش تقاضای جهانی برای لیتیوم و ظهور فناوری‌های جدید، تلاش‌ها برای بازیابی لیتیوم از آب نمک‌های زمین گرمایی در حال افزایش است. فرآیندهای مورد استفاده از استخراج معمولی آب نمک پیروی می کنند، اگرچه ممکن است بر اساس محتوای جریان آب نمک تطبیق داده شوند.
• آب نمک میدان نفتی بازیافت شده بازیابی لیتیوم از آب نمک میادین نفتی از نظر فنی فقط شکل دیگری از استخراج آب نمک معمولی است، با تفاوت در منبع آب نمک.
• وسایل الکترونیکی بازیافتی بازیافت باتری لیتیوم واقعاً با تعریف استخراج مطابقت ندارد، با این حال، با افزایش تقاضا، بازیافت باتری لیتیوم یون به یک منبع با ارزش فزاینده فلز تبدیل خواهد شد.

در حالی که هر یک از اینها منبع بالقوه ارزشمندی از لیتیوم هستند، فناوری‌های استخراج آب نمک از آنها هنوز به اندازه کافی توسعه نیافته‌اند تا جایگزین‌های مقرون‌به‌صرفه یا مناسبی برای معدن نمک سالار یا استخراج سنگ معدنی شوند.

اثرات نامطلوب استخراج لیتیوم

باتری‌های لیتیوم یونی جزء حیاتی تلاش‌ها برای پاکسازی سیاره هستند. باتری تسلا مدل S حدود 12 کیلوگرم لیتیوم در خود دارد، در حالی که راه حل های ذخیره سازی شبکه ای که به تعادل انرژی تجدیدپذیر کمک می کند، به مقدار بیشتری نیاز دارد.

تقاضا برای لیتیوم به طور تصاعدی در حال افزایش است و قیمت آن بین سال‌های 2016 و 2018 دو برابر شده است. به گفته مشاوران تحقیقات انرژی کایرن، انتظار می‌رود صنعت لیتیوم-یون از تولید سالانه 100 گیگاوات ساعت (GWh) در سال 2017 به تقریباً افزایش یابد. 800 گیگاوات ساعت در سال 2027

تصویر: تاهوا، بولیوی. معدنچیان نمک کامیونی را با نمک غنی از لیتیوم بارگیری می کنند. تصور می شود که زمین زیر نمکزارهای بولیوی دارای بزرگترین ذخایر این فلز در جهان است. (کوه های آند بولیوی ممکن است حاوی 70 درصد لیتیوم این سیاره باشد.) بسیاری از تحلیلگران استدلال می کنند که استخراج لیتیوم از آب نمک سازگارتر با محیط زیست است تا سنگ. با این حال، با افزایش تقاضا، شرکت ها ممکن است به حذف لیتیوم از آب نمک با گرم کردن آن متوسل شوند که انرژی بر آن بیشتر است.

در آمریکای جنوبی بزرگترین مشکل آب است. مثلث لیتیوم این قاره که بخش‌هایی از آرژانتین، بولیوی و شیلی را پوشش می‌دهد، بیش از نیمی از ذخایر فلزی جهان را در زیر نمکزارهای اخروی خود در اختیار دارد. همچنین یکی از خشک ترین مکان های روی زمین است. این یک مسئله واقعی است زیرا استخراج‌کنندگان لیتیوم با حفاری سوراخ در نمک‌ها و پمپاژ نمک نمکی غنی از مواد معدنی به سطح شروع می‌کنند.

سپس آن را برای ماه‌ها در یک نوبت تبخیر می‌کنند و ابتدا مخلوطی از نمک‌های منگنز، پتاسیم، بوراکس و لیتیوم ایجاد می‌کنند که سپس فیلتر شده و در استخر تبخیر دیگری قرار می‌گیرند و غیره. پس از 12 تا 18 ماه، مخلوط به اندازه کافی فیلتر شده است که کربنات لیتیوم - طلای سفید - قابل استخراج است.

این یک فرآیند نسبتا ارزان و موثر است، اما آب زیادی مصرف می‌کند - تقریباً 500000 گالن در هر تن لیتیوم. در سالار د آتاکامای شیلی، فعالیت های معدنی 65 درصد از آب منطقه را مصرف می کرد. این تأثیر زیادی بر کشاورزان محلی - که کینوا و لاما گله می‌کنند - در منطقه‌ای می‌گذارد که برخی از جوامع از قبل باید آب را از جاهای دیگر تامین کنند.

همچنین پتانسیل - همانطور که در تبت اتفاق افتاد - وجود دارد که مواد شیمیایی سمی از استخرهای تبخیر به منبع آب نشت کنند. اینها شامل مواد شیمیایی، از جمله اسید کلریدریک، که در پردازش لیتیوم به شکل قابل فروش استفاده می شود، و همچنین آن دسته از مواد زائد است که در هر مرحله از آب نمک فیلتر می شوند. در استرالیا و آمریکای شمالی، لیتیوم با استفاده از روش‌های سنتی‌تر از سنگ استخراج می‌شود، اما همچنان به استفاده از مواد شیمیایی برای استخراج آن به شکل مفید نیاز دارد. تحقیقات در نوادا تأثیراتی را بر روی ماهی ها تا 150 مایلی پایین دست عملیات پردازش لیتیوم نشان داد.

طبق گزارش Friends of the Earth، استخراج لیتیوم به ناچار به خاک آسیب می رساند و باعث آلودگی هوا می شود. در سالار د هومبر موئرتو آرژانتین، مردم محلی ادعا می‌کنند که عملیات لیتیوم جریان‌های مورد استفاده انسان‌ها و دام‌ها و برای آبیاری محصولات کشاورزی را آلوده کرده است. در شیلی، درگیری‌هایی بین شرکت‌های استخراج معدن و جوامع محلی رخ داده است، که می‌گویند استخراج لیتیوم باعث می‌شود که مناظر با کوه‌های نمک دور ریخته‌شده و کانال‌های پر از آب آلوده با رنگ آبی غیرطبیعی مخدوش شود.

گیلرمو گونزالس، کارشناس باتری لیتیومی از دانشگاه شیلی، در مصاحبه ای در سال 2009 گفت: "مانند هر فرآیند معدن، تهاجمی است، چشم انداز را زخمی می کند، سطح آب را از بین می برد و زمین و چاه های محلی را آلوده می کند." "این یک راه حل سبز نیست - اصلاً یک راه حل نیست."

اما ممکن است لیتیوم مشکل سازترین عنصر باتری های قابل شارژ مدرن نباشد. این نسبتاً فراوان است و در تئوری می تواند از آب دریا در آینده تولید شود، البته از طریق یک فرآیند بسیار انرژی بر.