توصل علماء من جامعة الملك عبد الله للعلوم والتقنية (كاوست) إلى تقنية جديدة لاستخلاص معدن الليثيوم مباشرة من المحلول الملحي الموجود في حقول النفط ومياه البحر، حيث يوجد الليثيوم بتركيزات منخفضة للغاية.
وتستعرض الدراسة -التي نشرت مؤخرا في المجلة العلمية ساينس- التقنية الجديدة التي تنافس التقنيات التقليدية التي لم تثبت فعاليتها مع التركيزات المنخفضة من المحلول الملحي، مما قد يسهم في زيادة كبيرة في توافر هذا المنتج عالميا وتحويل المملكة العربية السعودية إلى دولة منتجة لهذا العنصر الهام.
وقد ارتفع الطلب على الليثيوم مع ارتفاع الطلب على السيارات الكهربائية نتيجة السياسات المناخية التي بدأت تطبّق حول العالم، حيث تشكّل المركبات الكهربائية بأنواعها التكنولوجيا الأساسية لخفض انبعاثات الكربون في قطاع النقل البري، وهو القطاع الذي يمثل نحو سدس الانبعاثات العالمية.
عنصر واعد لطاقة المستقبل
يعد الليثيوم جزءا أساسيا من بطاريات الليثيوم أيون المستخدمة في المركبات الكهربائية، حيث تُفضَّل بطاريات الليثيوم أيون لمحركات السيارات الكهربائية، على بطاريات الصوديوم أو المغنيسيوم أو الهيدروجين.
والليثيوم هو معدن ناعم فضي اللون، وأقل كثافة بين جميع المعادن، ويتفاعل بقوة مع الماء، وينتج طاقة أعلى بكثير من المعادن الأخرى، مما يتيح إنتاج بطاريات فعّالة خفيفة الوزن وبكفاءة عاليّة ضمن حيز صغير، وبالتالي تقليل وزن المركبات الكهربائية وتقليل استهلاك الوقود الكهربائي فيها، وجعلها تقطع مسافات أطول.
كما يعد الليثيوم جزءا أساسيا من التكنولوجيا التي تعمل على تشغيل الهواتف المحمولة وأجهزة الكمبيوتر والأدوات الكهربائية وتخزين الطاقة المولدة من طاقة الرياح والطاقة الشمسية، كما يستخدم الليثيوم في العلاج الطبي للاكتئاب وللاضطراب ثنائي القطب ويجري النظر في استخدامه لعلاج الخرف ومرض ألزهايمر.
تقنية واعدة بكفاءة عالية
يوضح البروفيسور زيبينغ لاي، الأستاذ في “كاوست” والرئيس المشارك لمركز التميّز للطاقة المتجددة وتقنيات التخزين في الجامعة، والباحث الرئيسي في مشروع استخلاص الليثيوم، في حديث للجزيرة نت، جوهر التقنية الجديدة المتمثلة في استخدام فوسفات الليثيوم والحديد في عملية امتصاص أيونات الليثيوم بشكل انتقائي من المحلول الملحي ثم إطلاقها في محلول الاسترداد.
وفوسفات الليثيوم والحديد هي مادة الكاثود القياسية في بطاريات أيون الليثيوم، وتتميز ببنية طبقية تسمح لأيونات الليثيوم بالتحرك داخل وخارج المساحات بين الطبقات، وتخزين وإطلاق الطاقة في عملية واحدة.
والأمر المهم -حسب الباحث- هو أن هذه الطبقات مصممة بحيث تناسب أيونات الليثيوم الصغيرة فقط، في حين تستبعد أيونات الشوائب الأكبر (مثل الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم)، وتمكن هذه الانتقائية من استخراج الليثيوم حتى من المحاليل الملحية التي تحتوي على تركيزات عالية من الشوائب.
وتتميز التقنية الجديدة، حسب الباحث، بكفاءة طاقة عالية، فمن خلال الربط بين عمليتي الامتصاص والإطلاق في خطوة واحدة تعمل عملية إطلاق الليثيوم كخطوة شحن، وتعمل عملية الامتصاص كخطوة تفريغ، وتُستخدم الطاقة المنبعثة في أثناء الشحن لدفع التفريغ، وبالتالي توفير الطاقة.
كما تتميز الطريقة الجديدة، باستغلال اختلافات الملوحة، حيث عادة ما تكون محاليل الليثيوم عالية الملوحة بسبب وفرة أيونات الشوائب، في حين أن محلول الاسترداد أقل ملوحة بكثير، ويخلق هذا الاختلاف في الملوحة جهدا تناضحيا بين أقطاب الأكسدة والاختزال، والتي يمكن تسخيرها لتقليل استهلاك الطاقة بشكل أكبر.
اقتصادية وصديقة للبيئة
تعتمد طرق استخراج الليثيوم التقليدية على التبخير الشمسي لتركيز المحلول الملحي، يليه الترسيب الكيميائي لأيونات الليثيوم على شكل كربونات الليثيوم.
وبحسب لاي، تستخدم هذه الطريقة مواد كيميائية سامة، وتؤدي إلى هدر كميات كبيرة من الماء، وهي بطيئة عموما، علاوة على ذلك، تصبح غير فعالة عندما يكون تركيز الليثيوم أقل من 200 جزء في المليون أو عندما تتجاوز نسبة المغنيسيوم إلى الليثيوم القيمة 8، وعلى الرغم من استكشاف تقنيات ناشئة، مثل الامتصاص الفيزيائي، وتبادل الأيونات، وعمليات الأغشية، فإنها أقل كفاءة في ظل ظروف تركيز الليثيوم المنخفض والملوحة العالية.
ويضيف أنه على النقيض من ذلك، تستخرج الطريقة الجديدة الليثيوم بكفاءة عالية من المحاليل الملحية بتركيزات منخفضة تصل إلى 20 جزءا في المليون مع الحفاظ على الجدوى الاقتصادية القوية، وتتحقق هذه الكفاءة من خلال الانتقائية العالية بالتقاط أيونات الليثيوم فقط، حتى في وجود شوائب وفيرة، وانخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض تكاليف الإنتاج، حيث تقل الحاجة إلى المواد باهظة الثمن وتقليل مراحل عمليات الإنتاج.
كما تعتمد العملية على الكهرباء فقط، وتتجنب استخدام المواد الكيميائية السامة وتقلل فقدان المياه، مما يجعلها أكثر صداقة للبيئة.
حقول النفط كمناجم ليثيوم
تحتوي معظم الصخور الحاملة للنفط والغاز على الماء، وعند استخراج النفط أو الغاز من هذه الصخور، تخرج “المياه المنتجة” وهي منتج ثانوي لجميع عمليات استخراج النفط والغاز، وتختلف كميات المياه المنتجة على نطاق واسع باختلاف أماكن الآبار.
وعن إمكانية إنتاج كميات وفيرة من الليثيوم من المياه المنتجة من حقول النفط في المملكة العربية السعودية ودول الخليج العربي، يوضح البروفيسور لاي للجزيرة نت، أنه على الرغم من أن المملكة تشتهر بامتلاكها بعضا من أفضل حقول النفط في العالم لإنتاج النفط، فإن هذه الحقول أقل مثالية لاستخراج الليثيوم لأن حجم المياه المنتجة لكل برميل من النفط منخفض نسبيا وتركيز الليثيوم في تلك المياه متواضع، لكن ومع ذلك، ونظرا للحجم الهائل لإنتاج النفط، فمن المقدر أنه يمكن استخراج ما يصل إلى 100 ألف طن من كربونات الليثيوم سنويا من المياه المنتجة.
وفي حين تحتوي حقول النفط في دول الخليج الأخرى، غالبا على تركيزات ليثيوم أعلى، ونسب مياه إلى نفط أكبر، فإن من شأن هذه الظروف أن تحسّن بشكل كبير من الجدوى الاقتصادية للتقنية الجديدة، مما يجعل إنتاج الليثيوم على نطاق واسع أكثر جدوى.