لیتیوم، یک عنصر ضروری در باتری های خودروهای الکتریکی و سیستم های ذخیره انرژی، نویدبخش آینده ای سبزتر است. با این حال، تولید آن پیامدهای زیست محیطی قابل توجهی دارد. استخراج لیتیوم از آب شور نیازمند زمین و زمان قابل توجهی است، با عملیات بزرگی که به ده ها مایل مربع می رسد و اغلب برای شروع تولید به بیش از یک سال نیاز دارد.
اکنون، محققان در پرینستون، تکنیک استخراجی را توسعه داده اند که میزان زمین و زمان مورد نیاز برای تولید لیتیوم را کاهش می دهد. محققان می گویند سیستم آنها می تواند تولید در تاسیسات لیتیوم موجود را بهبود بخشد و منابعی را که قبلاً بسیار کوچک یا رقیق شده بودند، باز کند.
هسته این تکنیک، که در مقاله‌ای که اخیراً در Nature Water منتشر شده است، توصیف شده است، مجموعه‌ای از الیاف متخلخل است که به صورت رشته‌هایی پیچیده شده‌اند، که محققان آنها را طوری طراحی کرده‌اند که هسته‌ای آب دوست و سطحی آب‌گر داشته باشد. هنگامی که انتهای آن در محلول آب نمک فرو می‌رود، آب از طریق عملکرد مویرگی به سمت رشته‌ها حرکت می‌کند – همان فرآیندی که درختان برای کشیدن آب از ریشه به برگ‌ها استفاده می‌کنند.
آب به سرعت از سطح هر رشته تبخیر می شود و یون های نمکی مانند سدیم و لیتیوم را پشت سر می گذارد. با ادامه تبخیر آب، نمک ها به طور فزاینده ای غلیظ می شوند و در نهایت بلورهای کلرید سدیم و کلرید لیتیوم را روی رشته ها تشکیل می دهند که امکان برداشت آسان را فراهم می کند.
علاوه بر تغلیظ نمک‌ها، این تکنیک باعث می‌شود لیتیوم و سدیم در مکان‌های مشخصی در امتداد رشته به دلیل خواص فیزیکی متفاوت‌شان متبلور شوند. سدیم، با حلالیت کم، در قسمت پایینی رشته متبلور می شود، در حالی که نمک های لیتیوم بسیار محلول در نزدیکی بالا متبلور می شوند. جداسازی طبیعی به تیم اجازه داد لیتیوم و سدیم را به صورت جداگانه جمع آوری کنند، شاهکاری که معمولاً به استفاده از مواد شیمیایی اضافی نیاز دارد.
Z. Jason Ren، پروفسور مهندسی عمران و محیط زیست و مرکز Andlinger برای انرژی و محیط زیست در پرینستون و رهبر گروه لیتیوم گفت: “ما قصد داشتیم از فرآیندهای اساسی تبخیر و عمل مویرگی برای تغلیظ، جداسازی و برداشت لیتیوم استفاده کنیم.” تیم تحقیقاتی ما نیازی به استفاده از مواد شیمیایی اضافی ندارد، مانند بسیاری از فن‌آوری‌های استخراج دیگر، و این فرآیند در مقایسه با روش‌های سنتی تبخیر، در مصرف آب صرفه‌جویی می‌کند.»
رن افزود: عرضه محدود لیتیوم یکی از موانع انتقال به جامعه کم کربن است. «رویکرد ما ارزان است، کارکرد آن آسان است و به انرژی بسیار کمی نیاز دارد. این یک راه حل سازگار با محیط زیست برای یک چالش حیاتی انرژی است.”
استخراج معمولی آب نمک شامل ساخت مجموعه ای از حوضچه های بزرگ تبخیر برای تغلیظ لیتیوم از نمک، دریاچه های نمکی یا سفره های آب زیرزمینی است. این فرآیند می تواند از چند ماه تا چند سال طول بکشد. این عملیات تنها در تعداد معدودی از نقاط جهان که غلظت لیتیوم اولیه به اندازه کافی بالا، زمین های فراوان در دسترس و آب و هوای خشک برای به حداکثر رساندن تبخیر دارند، از نظر تجاری قابل دوام هستند. به عنوان مثال، تنها یک عملیات استخراج لیتیوم بر پایه آب نمک فعال در ایالات متحده وجود دارد که در نوادا واقع شده و بیش از هفت مایل مربع را پوشش می دهد.
تکنیک ریسمان بسیار فشرده‌تر است و می‌تواند تولید لیتیوم را خیلی سریع‌تر آغاز کند. اگرچه محققان هشدار می‌دهند که بردن فناوری آنها از آزمایشگاه به مقیاس صنعتی به کار بیشتری نیاز دارد، اما تخمین می‌زنند که این کار می‌تواند میزان زمین مورد نیاز را تا بیش از 90 درصد عملیات فعلی کاهش دهد و می‌تواند فرآیند تبخیر را تا بیش از 20 درصد تسریع کند. در مقایسه با حوضچه های تبخیر سنتی، به طور بالقوه برداشت اولیه لیتیوم را در کمتر از یک ماه تولید می کند.
عملیات فشرده، کم‌هزینه و سریع می‌تواند دسترسی را به منابع جدید لیتیوم، مانند چاه‌های نفت و گاز بلااستفاده و آب نمک‌های زمین گرمایی، که در حال حاضر برای استخراج لیتیوم بسیار کوچک یا رقیق هستند، گسترش دهد. محققان گفتند که سرعت تبخیر تسریع شده همچنین می تواند امکان عملیات در آب و هوای مرطوب تر را فراهم کند. آنها حتی در حال بررسی هستند که آیا این فناوری امکان استخراج لیتیوم از آب دریا را فراهم می کند یا خیر.
