بررسی روش‌های مختلف استخراج و فرآوری لیتیوم
در مقاله قبل لیتیوم: فلزی سبک با کاربردهای گسترده برای آینده پاک به معرفی و منابع لیتیوم پرداختیم در اینجا به بررسی روش‌های مختلف استخراج و فرآوری لیتیوم می پردازیم که از مقاله درک مبانی استخراج لیتیوم کمک گرفته ایم در آخر، مقاله را با شما به اشترک می گذاریم.
استخراج و فرآوری لیتیوم چگونه انجام مي‌شود؟
تقاضای جهانی برای استخراج لیتیوم هر روز در حال افزایش است. علت آن افزایش استفاده از لیتیوم در فناوری های جدید در باتری ها و خودروهای الکتریکی است. احتمالاً نام باتری های لیتیومی را شنیده‌اید، اما اگر كنجكاو هستيد كه لیتیوم از کجا به دست می‌آید و نحوه استخراج و فرآوری لیتیوم به چه صورت است، این محتوا به شما كمك می‌كند. در این محتوا به استخراج و فرآوری لیتیوم و روش های استخراج آن از ذخایر گوناگون پرداخته شده است.
استخراج و فرآوری لیتیوم به منبع این فلز بستگی دارد. بنابراین در این محتوا به برخی از متداول‌ترین روش های تولید، استخراج و فرآوری لیتیوم و مقایسه آن ها پرداخته‌ایم.
استخراج لیتیوم چیست؟
لیتیوم فلزی قلیایی و بسیار واکنش پذیر است که هدایت حرارتی و الکتریکی بسیار خوبی دارد. این ویژگی ها و خواص این فلز را به ویژه برای ساخت شیشه، روان کننده های با دمای بالا، مواد شیمیایی، داروها و باتری های لیتیومی برای خودروهای الکتریکی و لوازم الکترونیکی مناسب می‌سازد. به دلیل واکنش پذیری بالای لیتیوم، این فلز به صورت عنصر خالص در طبیعت یافت نمی‌شود، بلکه به صورت ترکیبی از نمک ها یا ترکیبات دیگر وجود دارد.
لیتیوم تجاری بیشتر به صورت کربنات لیتیوم به بازار عرضه می‌شود. کربنات لیتیوم ترکیب نسبتاً پایداری است و می‌تواند به راحتی به سایر نمک ها یا مواد شیمیایی تبدیل شود.
نمک های لیتیوم در ذخایر نمک های آب زیرزمینی، سنگ معدن، خاک رسی، همچنین در آب دریا و در آب شور چشمه‌های زمین گرمایی و آب یافت می‌شوند. طبق تعریف، استخراج و فرآوری لیتیوم مجموعه‌ای از فرآیندهای شیمیایی است که توسط آن لیتیوم از نمونه جدا شده و به شکل لیتیوم قابل فروش تبدیل می‌شود. این ماده معمولاً یک ترکیب پایدار اما به راحتی قابل تبدیل مانند کربنات لیتیوم است. بیشتر فرآیندهای استخراج و فرآوری لیتیوم مربوط به ذخایر مواد معدنی زیرزمینی یا آب نمک غنی از لیتیوم هستند.
اگرچه لیتیوم در خشکی و دریا فراوان است، اما فقط چند منبع آن از نظر اقتصادی مقرون به صرفه است. انتظار می‌رود استخراج و فرآوری لیتیوم در سال های آینده تغییر کند، چون كه فناوری های جدید استخراج از منابع جایگزین، لیتیوم را از نظر هزینه رقابتی‌تر می‌کند.
نحوه استخراج لیتیوم چگونه است؟
لیتیوم (Li) تجاری از دو منبع اصلی ذخایر آب نمک زیرزمینی و ذخایر سنگ معدنی به دست می‌آید. بررسی روش های مختلف استخراج و فرآوری لیتیوم بسته به ماده‌ی تشکیل دهنده منبع متفاوت است و شامل موارد زیر است:
کارخانه استخراج و فرآوری لیتیوم
استخراج مرسوم لیتیوم از آب نمک
امروزه مقدار قابل توجهی لیتیوم از مخازن آب نمک در زیر نمکزارها به نام سالار (اصطلاح رایج در جنوب غرب آمریکا و حوزه‌های نیتراتی شیلی برای گودال پوشیده از نمک) استخراج می‌شود. بیشتر این منابع در جنوب‌غربی آمریکای جنوبی و چین واقع شده است. از دیگر منابع آب نمک غنی از لیتیوم می‌توان به آب های نمک زمین گرمایی و میادین نفتی اشاره کرد که در زیر به آن ها پرداخته می‌شود.
بازیافت آب نمک لیتیومی معمولاً یک فرآیند ساده اما طولانی است که از چند ماه تا چند سال زمان می‌برد. در این روش، حفاری برای دسترسی به ذخایر آب های نمک زیرزمینی سالار صورت می‌گیرد. سپس آب نمک به سطح زمین پمپاژ می شود و به حوضچه‌های تبخیر هدایت می‌شود.
آب نمک چندین ماه یا سال در حوضچه‌های تبخیر باقی می‌ماند تا زمانی که بیشتر محتویات مایع آب نمك توسط نور خورشید تبخیر شود. شورابه های سالار بسیار غلیظ هستند. شوراب ها علاوه بر لیتیوم، معمولاً حاوی پتاسیم و سدیم نیز می‌باشند.
در تأسیسات معمولاً چندین حوضچه بزرگ تبخیر برای مراحل مختلف راه اندازی می‌شود. فلزات دیگر مانند پتاسیم از حوضچه‌های جوان استخراج می‌شود. در حالی كه در ساير حوضچه‌ها برای اين كه محتوای لیتیوم به غلظت مطلوب برای پردازش برسد، بایستی منتظر ماند. در برخی موارد از اسمز معکوس (RO) برای تغلیظ آب نمک لیتیوم برای تسریع فرآیند تبخیر استفاده می‌شود.
هنگامی که آب نمک در حوضچه‌های تبخیر به غلظت ایده‌آل لیتیوم رسید، برای استخراج به تاسیسات بازیابی لیتیوم پمپ می‌شود. این فرآیند بسته به ترکیب میدان آب نمک متفاوت است، اما به طور کلی شامل مراحل زیر است:
· پیش فرآوری
در این مرحله معمولاً تصفیه و یا تبادل یونی (IX) برای حذف هر گونه آلاینده یا ترکیبات ناخواسته از آب نمک صورت مي‌گيرد.
حوضچه‌های تبخیر استخراج و فرآوری لیتیوم
· تصفیه شیمیایی
در این مرحله از یک سری حلال ها و معرف های شیمیایی برای جداسازی فرآورده‌ها و محصولات فرعی، از روش رسوب استفاده مي‌كنند.
· فیلتراسیون
در این مرحله آب نمک فیلتر می‌شود تا مواد جامد رسوب شده جدا شود.
تولید لیتیوم قابل عرضه به بازار
آب نمک در مرحله آخر با یک معرف مانند کربنات سدیم تصفیه می‌شود تا کربنات لیتیوم تشکیل شود. سپس محصول فیلتر شده و برای عرضه به بازار خشک می‌شود. با توجه به محصول مورد نظر، می‌توان از معرف‌های مختلفی برای تولید سایر اشکال رایج لیتیوم مانند لیتیوم هیدروکسید، لیتیوم کلرید، لیتیوم بروماید و بوتیل لیتیم استفاده نمود. پس از اتمام فرآیند استخراج و فرآوری لیتیوم، محلول هاي آب نمک باقی مانده به مخازن زیرزمینی ريخته می‌شود.
استخراج سنگ سخت/ لیتیوم اسپودومن
اگرچه این روش سهم نسبتا کمی در تولید جهانی لیتیوم دارد، اما از آن ها تقریباً 20 تن لیتیوم در سال استخراج می‌شود. بیش از صد ماده معدنی مختلف حاوی مقداری لیتیوم هستند، اما تنها از پنج ماده معدنی، برای استخراج و فرآوری لیتیوم استفاده می‌شود. این پنج ماده معدنی شامل اسپودومن رایج‌ترین آن ها و لپیدولیت، پتالیت، آمبلی گونیت و یوکریپیت می‌باشد.
ذخایر سنگ معدنی اغلب از نظر لیتیوم غنی‌تر از آب نمک های سالار هستند، اما دسترسی به آن ها پرهزینه‌تر است چون كه استخراج آن ها از سازند های سخت صورت می‌گيرد. با توجه به مصرف اضافی انرژی، مواد شیمیایی و مواد مورد نیاز در استخراج و فرآوری لیتیوم از سنگ معدنی، این فرآیند دو برابر هزینه فرآوری لیتیوم از آب نمک است. این فاکتورها باعث شده سهم بازار لیتیوم از این منابع، کمتر باشد.
فرآیند بازیابی لیتیوم از سنگ معدن بر اساس ذخایر معدنی خاص مورد نظر می‌تواند متفاوت باشد. به طور معمول، فرآیندها شامل برداشت مواد معدنی از زمین، گرم کردن و پودر کردن آن ها است. پودر معدنی خرد شده با معرف های شیمیایی نظیر اسید سولفوریک ترکیب می‌شوند، دوغاب حاصل، حرارت داده می‌شود. سپس فیلتراسیون انجام می‌شود و از طریق فرآیند تبخیر، کربنات لیتیوم قابل عرضه به بازار تغلیظ می‌شود. در نهایت فاضلاب حاصل از استخراج و فرآوری لیتیوم تصفیه می‌شود تا دوباره استفاده یا دفع شود.
سایر فرآیندهای استخراج لیتیوم
علاوه بر آب نمک سالار و سنگ های معدنی، لیتیوم را می‌توان از منابع دیگر نیز تولید کرد، استخراج از این منابع در حال حاضر متداول نیست. منابع دیگر لیتیوم شامل:
· خاک رس هکتوریت
تحقیقات گسترده‌ای برای توسعه تکنیک های موثر پردازش خاک رس از جمله شستشوی اسیدی، قلیایی، کلرید، سولفات و همچنین تجزیه آب و تصفیه هیدروترمال صورت گرفته است. تاكنون هيچ كدام از این تکنولوژی ها برای استخراج و فرآوری لیتیوم از خاک رس از نظر اقتصادی مقرون به صرفه نبوده‌اند.
· آب دریا
تخمین زده می‌شود که صدها میلیارد تن لیتیوم در اقیانوس ها وجود داشته باشد كه آن ها را به عنوان منابع جذاب برای تامین نیاز آینده لیتیوم تبدیل می‌کند. در حال حاضر روش های موجود از جمله فرآیند استخراج ته نشینی و فرآیند جذب سطحی هیبریدی تبادل یونی، در استخراج و فرآوری لیتیوم از آب دریا موفق بوده‌اند، فناوری های جدید غشایی، نویدبخش کاهش هزینه‌های استخراج و فرآوری لیتیوم از آب دریا هستند.
· آب نمک بازیافت شده از نیروگاه‌های انرژی
با افزایش تقاضای جهانی برای لیتیوم و پيدايش تکنولوژی های جدید، تلاش ها برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی در حال افزایش است. فرآیندهای مورد استفاده برای استخراج معمولی آب نمک در این منبع دنبال می‌شود. اگر چه فرآیندها بر اساس محتوای جریان آب نمک اتخاذ می‌شوند.
· بازیافت لیتیوم از آب نمک میادین نفتی
از لحاظ فنی شکل دیگری از استخراج معمولی آب نمک است که فقط تفاوت در منابع آب نمک است.
· بازیافت از وسایل الکترونیکی
در حقیقت بازیافت از باتری لیتیومی با تعریف استخراج و فرآوری لیتیوم مطابقت ندارد. با این وجود با افزایش تقاضا، بازیافت باتری یونی لیتیوم به یک منبع باارزش فزاینده فلز تبدیل خواهد شد.
اگرچه هر یک از منابع فوق دارای ذخاير بالقوه ارزشمندی از لیتیوم هستند، اما تكنولوژی های استخراج آب نمک در آن ها در حال حاضر به اندازه کافی توسعه نیافته است، لذا این منابع مقرون به صرفه نیستند و نمی‌توانند جایگزین مناسب برای استخراج آب نمک سالار و استخراج سنگ های معدنی شوند.
استخراج آب نمک امروزه متداول‌ترین روش بازیابی لیتیوم است. استخراج لیتیوم از آب نمک چیست و چگونه انجام می شود؟در این بخش استخراج و فرآوری لیتیوم از شورابه‌های با تکنولوژی های جدید که قادر به جداسازی فلز هستند، بررسی می‌شود.
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک چیست؟
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک عبارت است از استخراج هر ترکیب یا عنصر مطلوب از محلول نمک طبیعی نظیر آب های زیرزمینی شور، آب دریا و آب های سطحی مانند دریاچه‌‌های نمک است. در عملیات استخراج آب نمک، مواد زیادی از ذخایر استخراج و تولید می‌شود. این مواد شامل لیتیوم، انواع مواد و ترکیبات دیگر است.
لیتیوم چگونه با استخراج آب نمک تولید می شود؟
فرآیند بازیابی لیتیوم از آب نمک بسته به منبع آب نمک متفاوت است. سه نوع ذخایر اصلی آب نمک لیتیوم شامل ذخایر قاره‌ای، زمین گرمایی و میادین نفت است که در زیر اشاره به آن ها شده است:
ذخایر آب نمک قاره‌ای
معمولاً ذخایر آب نمک قاره‌ای در مخازن زیرزمینی، در مناطق با آب و هوای خشک یافت می‌شود. آب نمک ها در اين ذخاير در حوضه هاي بسته قرار دارند و مواد سازندهاي اطراف در آن ها به صورت حل شده وجود دارد. در استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک، ابتدا شورابه ها به سطح زمین پمپ می‌شود، سپس شورابه ها چندین مرحله را طی می‌كنند تا در نهایت نمک لیتیوم قابل عرضه به بازار به صورت کربنات لیتیوم تولید شود. مراحل شامل تغلیظ آب نمک، پیش تصفیه برای حذف آلاینده‌ها و عملیات شیمیایی برای رسوب لیتیوم از محلول است.
ذخایر غني آب نمک قاره‌ای، به عنوان اقتصادی‌ترین منبع برای استخراج و فرآوری لیتیوم همچنان بدون اكتشاف باقی مانده‌اند و بیش از نیمی از لیتیوم جهان، تنها از تعداد انگشت شماری از ذخاير آب نمک قاره‌ای در سراسر جهان تولید می‌شوند.
ذخایر آب نمک زمین گرمایی
آب نمک های زمین گرمایی در سازندهای سنگی زیرزمینی با جریان گرمایی قوي در حال حرکت هستند. آب نمک های زمین گرمایی سطوح قابل توجهی از فلزات محلول را دارند و بسیار غلیظ هستند. معمولاً آب نمک توسط یک نیروگاه زمین گرمایی به سطح زمين پمپ می‌شود و برای تولید انرژی استفاده می‌شود. سپس آب نمک های خنك شده، از طریق یک چاه تزریقی به مخازن زیرزمینی بازگردانده می‌شود یا به آب های سطحی تخلیه می‌شود. برای به حداکثر رساندن کارایی و کاهش ضایعات، برای استخراج مواد با ارزش نظیر لیتیوم، منگنز و روی از آب نمک ها، از برخی امكانات فناوری ها قبل از تخلیه استفاده می شود. برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی، سیستم های اسمز معکوس (RO) و تبادل یونی (IX) و فناوری های دیگر مورد نیاز است.
ذخایر آب نمک میادین نفتی
میادین نفتی مناطقی هستند که دارای مخازن زیرزمینی نفت هستند. در استخراج نفت و گاز از میادین نفتی مقدار قابل توجهی آب نمک نیز به سطح زمین سرازیر می‌شود. این آب نمک ها، به عنوان “آب تولید شده” مشهور هستند كه اغلب سرشار از فلزات محلول هستند که در برخی مناطق شامل لیتیوم است.
در سال های اخیر، افزایش تقاضا برای لیتیوم، برخی از تاسیسات میادین نفتی را برانگیخته است تا فناوری‌هایی را برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب تولید شده اتخاذ کنند. فناوری های مورد استفاده برای این منظور شامل جداسازی گرانشی، شناورسازی یا فلوتاسیون گاز، لخته‌سازی و سایر موارد است.
منابع جایگزین لیتیوم
لیتیوم در خشکی و آب در سرتاسر جهان در غلظت های پایین وجود دارد و استخراج تجاری آن به سادگی امکان‌پذیر نیست. در حال حاضر عملیات استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک موجود از معدود ذخایر شناخته شده که به طور طبیعی غنی از این فلز هستند، انجام می‌شود. با این حال، با افزایش تقاضا برای لیتیوم، برخی از تأسیسات درحال پیاده‌سازی فناوری های جدیدی هستند که از تکنیک های استاندارد استخراج آب نمک الهام گرفته شده است، اما در عوض برای استخراج و فرآوری لیتیوم در جریان های آب تولیدی و پسماند آب نمک طراحی شده‌اند. این موارد شامل:
· آب نمک عملیات ایجاد شکاف در مخازن نفت و گاز
عملیات ایجاد شکاف در مخازن نفت شامل تزریق پرفشار آب نمک به سازندهای زیرزمینی با هدف استخراج نفت و گاز است. هنگامی که مایع به سطح زمین می‌آید، نه تنها حاوی آب، نفت و گاز است، بلکه دارای مواد محلول از اطراف سازند نیز است. برای استفاده کارآمدتر از منابع، برخی از شرکت ها در حال ادغام فناوری های تصفیه آب و فاضلاب، برای بازیابی فلزات و نمک های محلول در آب نمک هستند. در حال حاضر این روش در عملیات بازیابی لیتیوم در میدان گاز شیل در تگزاس انجام می‌شود.
استخراج و فرآوری لیتیوم پساب نفت
· فاضلاب نفت سنگین
عملیات استخراج نفت سنگین حجم قابل توجهی پساب خروجی اواپراتور یا تبخیر كننده را تولید می‌کند که بسته به منطقه، حاوی مواد محلول است. در برخی از مناطق، در حال اجرای فناوری های تصفیه آب برای بازیابی لیتیوم و سایر مواد با ارزش از پساب نفت سنگین هستند كه منجر به کاهش هزینه‌ها با کاهش حجم تخلیه فاضلاب می‌شود.
بازیافت لیتیوم به عنوان محصول جانبی فعالیت های معدنی چالش برانگیز است زیرا این فلز تقریباً در غلظت های بسیار پایین در فاضلاب استخراج نفت وجود دارد. با این حال با توسعه فناوري‌های جدید استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک و آب فاضلاب از نظر اقتصادی مقرون به صرفه می‌شود. به خصوص که بسیاری از این تکنیک های جدید، زمان تولید سریع‌تری نسبت به روش های معمولی تبخیر را ارائه می‌دهند.
لیتیوم و آب نمک زمین گرمایی، بهترین راه برای استخراج و فرآوری لیتیوم از این منابع طبیعی چیست؟
آب نمک های زمین گرمایی، سیالات طبیعی گرم شده در پوسته زمین هستند و هزاران سال است که مورد استفاده قرار می‌گیرند. تمدن های باستانی از آن ها برای حمام کردن و گرم کردن اتاق های کوچک استفاده می‌کردند. امروزه خانه‌ها، استخرها و گلخانه‌ها با آن ها گرم می شود. همچنين آب نمک های زمین گرمایی در کشاورزی استفاده می‌شود و حتی از آن ها برق تولید می‌شود. با پیشرفت فناوری ها و آگاهی بیشتر در مورد ارزش بالقوه آب نمک های زمین گرمایی، این منبع مورد توجه قرار گرفته است.
آب نمک زمین گرمایی، منبع انرژی پاک و پایدارتر از سوخت های فسیلی هستند كه نه تنها می‌تواند برق کل شهرها را تامین کند، بلکه می‌تواند منبع بالقوه‌ای برای تامین انرژی سایر مواد خام نیز باشد.
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی
از آنجایی که آب نمک ها از اعماق زمین سرچشمه می‌گیرند، در آن ها تجمع رسوبات سازندهای آتشفشانی و صفحات تکتونیکی فرار وجود دارد. این مواد به سطح زمین می‌رسند و حاوی گرمای انرژی‌زا و همچنین انواع مواد معدنی و فلزات هستند. اگر این مواد به طور موثر جدا و تجمیع شوند، می‌توانند منبع درآمد دوم و مهمی را برای شرکت های انرژی زمین گرمایی ایجاد کنند.
بهترین روش های استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی
پتانسیل استخراج آب نمک زمین گرمایی برای لیتیوم برای چندین دهه شناخته شده است، اما هنوز بسیاری از روش ها و فناوری ها در حال آزمایش هستند. این روش ها هنوز به صورت تجاری در دسترس قرار نگرفته‌اند، چونكه ناکارآمد یا پرهزینه هستند. در روش های آزمایشی برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی، غشاها مسدود می‌شوند، لوله‌ها خورده می‌شوند، هزینه‌ها و انرژی مورد نیاز سر به فلک می‌کشد. اغلب شرکت ها از مشکلات زیادی که در مدیریت و آزمایش این روش ها به وجود می‌آیند، ناامید می‌شوند.
برخی از روش های استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی که به طور بالقوه می‌تواند كارساز باشد عبارتند از: استخراج با حلال، فناوری شناسایی مولکولی، استفاده از میکروب های مهندسی شده و جداسازی مغناطیسی هستند. البته با پیدایش فناوری های جدید، فرآیندها در حال کارآمدتر شدن هستند. در حالی که نوآوری هایی برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک زمین گرمایی مطرح می‌شود، برخی از موارد زیر امیدوارکننده هستند:
جذب سطحی
یکی از روش هایی که محققان همچنان به دنبال آن هستند، استفاده از جاذب ها برای چسبیدن به لیتیوم برای دفع انتخابی است. برخی از جاذب های توسعه یافته كه حدود نود درصد از لیتیوم موجود را بازیابی می‌کنند، شامل جاذب هیدروکسید کلرید دو لایه لیتیوم آلومینیوم یا LDH که اخیراً آزمایش شده است. این روش در مطالعه اخیر منتشر شده توسط Environmental Science & Technology توضیح داده شده است.
LDH
در آزمایش های اخیر، جاذب هیدروکسید کلرید دو لایه لیتیوم آلومینیوم( LDH ) با مخلوط کردن هیدروکسید آلومینیوم با کلرید لیتیوم تولید می‌شود. آب لایه‌های متعددی از [Li Al2(OH)6]+ را در جاذب تشکیل می‌دهد.
این لایه‌ها توسط مولکول‌های آب و یون های هیدروکسید از هم جدا می‌شوند و فضای لازم برای نفوذ آسان‌تر لیتیوم کلرید نسبت به سایر یون های سدیم و پتاسیم ایجاد می‌کنند. هنگامی که جاذب با کلرید لیتیوم پر شد، با جریان رقیق لیتیوم کلرید شسته می‌شود تا یون های ناخواسته حذف شود، سپس برای بار دوم شسته می‌شود تا کلرید لیتیوم تخلیه شود.
همانطور که در مطالعه ذکر شده است، این روش شبیه برخی جاذب ها نظیر اکسیدهای منگنز جدا شده یا تیتانات‌های هیدروژن لایه‌ای، به شستشوی اسید یا مواد شیمیایی دیگر نیاز ندارند. بنابراین این جاذب، سازگار با محیط زیست است و ضایعات مشکل‌زا تولید نمی‌کند. اگرچه جاذب LDH هنوز در حال آزمایش است و به صورت تجاری اجرا نشده است، اما به نظر محققان این روش امیدوارکننده است.
تبادل یونی
سیستم های تبادل یونی (IX) در صنایع مختلف برای اهداف نرم کردن یا از بردن سختی، تصفیه و جداسازی آب استفاده می‌شود. در اين روش جداسازی آلاینده‌های یونی از محلول به روش هاي فیزیکی- شیمیایی انجام می‌شود. در این روش عنصر نامطلوب با یون های دیگر با همان بار الکتریکی جایگزین می‌شوند. این واکنش در ستون یا ظرف IX انجام می‌شود، جایی که فرآیند یا جریان ضایعات از رزین مخصوصی عبور می‌کند تا تبادل یونی را در آن آسان کند. زمانی که نیاز به حذف عنصر بسیار خاص نظیر بیرون کشیدن لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی باشد، چندین برابر تبادل یونی( IX)، به ویژه با رزین های کیلیت انجام می‌شود.
سیستم های تبادل یونی
محققان نیز در حال توسعه رزین های پلیمری لیتیومی برای جذب فلز هستند. هنگامی که یون لیتیوم جذب و دفع می‌شود، اثری از خود بر جای می‌گذارد که می‌تواند برای انتخاب خاصی استفاده شود، زیرا اندازه، شکل و آرایش پیوندها روی پلیمر ثبت و ذخیره می‌شوند. استخراج و فرآوری لیتیوم توسط تبادل یونی می‌تواند با یک تنظیم ساده pH، دما یا ترکیب فعلی تغییر کند، همین امر بر پیچیدگی مطالعات می‌افزاید (همین مورد برای سایر روش های استخراج و فرآوری لیتیوم نیز صادق است). با اين وجود محققان همچنان تخمین می‌زنند که این روش می‌تواند حدود نود درصد از لیتیوم را بازیافت کند. قابلیت بازسازی و اتصال رزین هنوز در حال آزمایش است و انتظار می‌رود نرخ بازیافت افزایش یابد.
الکترودیالیز
الکترودیالیز نوعی تبادل یونی است که می‌تواند برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب های نمک زمین گرمایی استفاده شود. این روش فرآیند غشایی است که از یون های دارای بار مثبت یا منفی استفاده می‌کند. در این روش ذرات باردار از طریق غشای نیمه‌تراوا عبور می‌دهند و در مراحل مختلف برای تغلیظ آب نمک مورد استفاده قرار گیرد. این روش اغلب به همراه اسمز معكوس( RO ) برای دستیابی به نرخ بازیابی بالا استفاده می‌شود.
محققان تلاش کردند تا لیتیوم را با این فرآیند، در نیروگاه زمین گرمایی Wairakei در نیوزیلند، در منطقه آتشفشانی Taupo استخراج كنند. همانطور که در مطالعه مشخص شده است، در این نیروگاه ابتدا سیلیس را از جریان خارج نمودند. سپس به آزمایش چگونگی تاثیر ولتاژها، جریان ها، دماها و سطوح مختلف اسیدی شدن بر توانایی استخراج و فرآوری لیتیوم توسط الکترودیالیز پرداخته شد. آزمایش‌کنندگان مایعات را به صورت دسته‌هایی با استفاده از چندین نوع مختلف غشاء آزمایش کردند و پی بردن که:
الکترودیالیز
· سطوح اسیدی شدن بر استخراج و فرآوری لیتیوم تاثیر گذاشت (ثابت شد ph بین 2 تا 4 بسیار مفید است).
· افزایش جریان باعث بهبود نرخ استخراج و فرآوری لیتیوم شد، اما غشاء را نیز محدود کرد.
· آن طور که انتظار می‌رفت با گرم کردن ماده رقیق، استخراج و فرآوری لیتیوم افزایش نیافت.
· سیستم های چند توده‌‌ای منجر به نرخ بالاتر استخراج و فرآوری لیتیوم می‌شوند.
جمع بندی این بود که قبل از اینکه این روش به پتانسیل کامل خودشان برسند، بایستی آزمایشات بیشتری انجام شود، به ویژه هنگامی که از جریان ها و ولتاژهای بالاتر استفاده می‌شود، باعث آسیب جبران ناپذیری به غشاها می‌شود.
لیتیوم و جریان های آب نمک، نحوه افزایش بازیابی و غلظت لیتیوم
استخراج و فرآوری لیتیوم به شدت به منبع بستگی دارد. لیتیوم در غلظت ها و حالت های مختلف در کنار سایر فلزات و مواد معدنی باارزش یافت می‌شود و بر اساس منطقه، لیتیوم آن ها متفاوت است. بسیاری از روش ها و فناوری های استخراج و فرآوری لیتیوم می‌تواند ناکارآمد یا گران باشند. مشکلات زیادی در مدیریت جریان های آب نمک ایجاد كنند.
هنگام بررسی در مورد این منابع، متغیرهای زیادی وجود دارد و روش ها می‌توانند کمی پیچیده باشند. بنابراین در این بخش به برخی از روش های رایج برای «افزایش غلظت لیتیوم و بازیافت از جریان های آب نمک» می‌پردازیم که امروزه به طور گسترده استفاده می‌شوند. به خاطر داشته باشید بسیاری از این روش ها را می‌توان برای استخراج و فرآوری لیتیوم و در برخی مواقع همراه با هم برای حصول نتایج بهتر استفاده نمود.
جذب سطحی
یکی از روش هایی که محققان همچنان از آن پیروی می‌کنند، استفاده از جاذب ها برای چسبیدن به لیتیوم برای حذف انتخابی است. در این روش یون های لیتیوم به جاذب ها متصل می‌شوند و یون های نامطلوب شسته می‌شوند. این روش می‌تواند برای استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی، آب نمک های ضایعات یا آب دریا استفاده شود.
در برخی از روش ها به محلول اسیدی برای شستشوی جاذب نیاز است كه باعث ایجاد فاضلاب مشکل‌ساز در تاسیسات می‌شود، اما برخی از جاذب ها که اخیراً فرموله شده‌اند، برای شستشو به کلرید لیتیوم رقیق شده نیاز دارند كه سازگار با محیط زیست هستند. این روش در حال آزمایش است و در صورت کارآمدتر شدن، نرخ بازیابی لیتیوم می‌تواند افزایش یابد.
اسمز معکوس
در روش اسمز معکوس (RO) از فشار اسمزی بالا برای نفوذ در یک غشای نیمه تراوا استفاده می‌شود. در این روش هر گونه آلودگی بزرگتر از آب خالص به سمت فشار کمتر جریان پیدا می‌کند و به دام می‌افتد و فیلتر می‌شود. اسمز معکوس، آب خالص و یک جریان فاضلاب بسیار غلیظ را به جا می‌گذارد. با توجه به جداسازی و غلظت فاضلاب در تاسیسات از آن استفاده یا دور ریخته می‌شود.
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب دریا
از روش اسمز معکوس برای تغلیظ لیتیوم، اغلب در محلول های بی‌کربنات لیتیوم رقیق تا حد اشباع قبل از تبخیر استفاده می‌شود. اين روش معمولاً به عنوان بخشی از فرآیند گام به گام یا عملیات پردازش وسيع هنگام تغلیظ لیتیوم استفاده می‌شود.
تبادل یونی
زمانی که حذف عنصر بسیار خاص نظیر استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی، نمک های فاضلاب یا آب دریا مد نظر است، اغلب رزین های کلات تبادل یونی ایده آل هستند.
سیستم های تبادل یونی را می‌توان برای حذف آلاینده‌های انتخاب شده از جریان استفاده کرد تا بتوان لیتیوم را با کارایی بیش تری استخراج کرد. همچنین می‌توان از این سیستم ها برای استخراج خود لیتیوم استفاده کرد.
به طور کلی، استفاده از تبادل یونی برای بازیابی و تغلیظ لیتیوم کم و بیش توسط موارد زیر انجام می‌شود:
· حذف یون های فلزی دو ظرفیتی با تبادل یونی رزین های کاتیونی.
· حذف سدیم و پتاسیم با رزین های تبادل یونی ویژه.
· استخراج و فرآوری لیتیوم به عنوان رسوب کربنات لیتیوم.
از آنجایی که سدیم، پتاسیم، سایر فلزات و مواد معدنی در غلظت های بیشتر از لیتیوم وجود دارند، توصیه می‌شود برای بهبود نرخ استخراج و فرآوری لیتیوم، ابتدا آن ها را حذف کنید. اگرچه روش های دیگری برای انتخاب لیتیوم برای حذف وجود دارد، اما این مراحل کلی، صرف نظر از نحوه انجام آن ها، عموماً با روش های حذف انتخابی مانند تبادل یونی انجام می‌شود.
استخراج و فرآوری لیتیوم از شورابه‌ها
الکترودیالیز
الکترودیالیز نیز نوعی تبادل یونی است که می تواند برای جداسازی و تغلیظ لیتیوم استفاده كرد. در این فرآیند از یون های دارای بار مثبت یا منفی استفاده می‌شود تا ذرات باردار را از طریق غشای نیمه تراوا جریان می‌دهند. از آن می‌توان به صورت مرحله‌ای برای تغلیظ آب نمک استفاده کرد.
انجام درست این فرآیند می‌تواند پیچیده باشد. تغییرات کوچک در سطح اسیدی شدن، سطح جریان، نوسانات دما، و تنظیمات غشایی می‌تواند به میزان زیادی بر سرعت تغلیظ، استخراج و فرآوری لیتیوم تأثیر بگذارد.
ته نشینی
در برخی از روش های تغلیظ، استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک ها، از رسوب به عنوان وسیله‌ای برای جداسازی فلز استفاده می‌کنند. روش ته نشینی در چندین مرحله صورت می‌گیرد، زیرا لیتیوم (معمولاً به شکل لیتیوم کلرید) بایستی رسوب کند و جدا شود. سپس دوباره بایستی آن را جدا كرد.
به عنوان نمونه، در مطالعه‌ای که توسط اداره معادن انجام شده است، 99 درصد لیتیوم از طریق ته نشینی بازیابی شده است.در این مطالعه ابتدا نمونه‌های آب نمک را با دوغاب آهک برای افزایش pH آغشته کردند. در مرحله بعد، از فناوری های فیلتراسیون برای حذف آهن، منگنز، سرب و روی استفاده نمودند. سپس رسوب لیتیوم/آلومینیوم حاصل در یک سری مراحل اختلاط، شستشو و فیلتراسیون، حل، جدا و تبخیر شد.
تبخیر
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک از طریق تبخیر به طور کلی یک روش ساده اما طولانی است. این روش چند ماه تا چند سال طول می‌کشد. آب نمک طی چندین ماه یا سال در حوضچه‌های تبخیر پخش می‌شود تا زمانی که بیشتر آب مایع توسط تبخیر نور خورشید یا باد خارج شود. در تاسیسات معمولا چندین حوضچه بزرگ تبخیر برای سنین مختلف وجود دارد. در آن ها می‌توان فلزات دیگر مانند پتاسیم را از حوضچه‌های جوان تر استخراج كرد، در حالی که در حوضچه‌های دیگر بایستی منتظر ماند تا محتوای لیتیوم به غلظت مطلوب برای پردازش برسد. در برخی موارد و همانطور که قبلا ذکر شده است، از روش اسمز معكوس برای تغلیظ آب نمک لیتیوم برای تسریع فرآیند تبخیر استفاده می‌شود.
زمانی که آب نمک در حوضچه‌ها تبخیر شد و لیتیوم به غلظت ایده آل رسید، آب نمک براي مراحل پیش تصفیه، تصفیه شیمیایی، فیلتراسیون و در آخر استخراج و فرآوری، به کارخانه بازیافت لیتیوم پمپاژ می‌شود.
هزینه استخراج و فرآوری لیتیوم برای کارخانه، قیمت گذاری، فاكتورها و غیره
استخراج و فرآوری لیتیوم از آب نمک های زمین گرمایی و سنگ معدن خرد شده، فناوری ها و سیستم ها پیچیده نیازمند است. اگر در تاسیسات‌تان به دنبال روش های جدید برای استخراج این فلز گران بها هستید، احتمالاً به دنبال بررسی هزینه استخراج و فرآوری لیتیوم از آبهای نمک زمین گرمایی و سنگ معدن خرد شده هستید.
تخمین هزینه سیستم جداسازی و استخراج و فرآوری لیتیوم پیچیده است. تا حدی به عوامل و متغیرهای زیادی که نقش کلیدی در طراحی سیستم دارد، بستگی دارد. در این بخش برخی از عواملی که بر هزینه سیستم های استخراج و فرآوری لیتیوم تأثیر می‌گذارند بحث می‌شود.
تاسيسات در استخراج لیتیوم
فاکتورهای مهم دیگری که هنگام قیمت گذاری هزینه استخراج و فرآوری لیتیوم بایستی در نظر گرفت
برنامه ریزی اولیه
توسعه مفاهیم، طرح ها و الزامات قانونی پروژه، اولین قدم در برنامه‌ریزی سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم است. به طور معمول هزینه مهندسی برای این نوع پروژه، ده تا پانزده درصد هزینه کل پروژه است. معمولاً هزینه‌ها به تدریج در طول پروژه معرفی می‌شوند. اکثر سرمایه‌گذاری به طرح کلی پروژه، طراحی تاسیسات، مکانیک، برق و عمران اختصاص می‌یابد.
فضای مورد نیاز
هنگام برنامه ریزی برای سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم، اندازه سیستم بر هزینه ها تاثیر می‌گذارد. معمولاً مقدار فضا و چیدمان پایه آن زیاد است. بنابراین مکان کارخانه می‌تواند بر هزینه سیستم تأثیر بگذارد. به عنوان مثال اگر تاسیسات در مکانی قرار دارد که از نظر فضا و مكان بسیار گران است، در این صورت ممکن است فضای کوچکتری را انتخاب کنید.
هزینه نصب و راه اندازی سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم
نکته دیگری که بایستی در نظر گرفت هزینه نصب و راه اندازی در منطقه مورد نظر است. هزینه نصب و راه اندازی بر اساس مکان در نوسان است. بنابراین بایستی از هزینه نصب سیستم مطلع شوید و آن را در بودجه لحاظ کنید. در مناطقی که هزینه‌های نصب و راه اندازی بالا است، ممکن است ماژول های از پیش آماده را در مقابل تاسیسات ساخته شده داخلی در نظر بگیرید.
سطح اتوماسیون سیستم مورد نیاز
هنگامی كه نوبت به سطح اتوماسیونی برای سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم می‌رسد، دو گزینه در پیش رو است. اولی سطح بالاتری از اتوماسیون برای سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم است که در آن بیشتر اوقات نیازی به حضور اپراتور نیست. این نوع اتوماسیون این امکان را می‌دهد تا بسیاری از خطاهای انسانی مرتبط با عملکرد کارخانه را حذف کنید. این گزینه بسیار گران است. هزینه‌های آن از همان برنامه‌ریزی اولیه استخراج لیتیوم شروع می‌شود كه شامل مراحل سرمایه‌گذاری اولیه در کنترل های پیچیده‌تر PLC و ابزار دقیق می‌باشد. اما هزینه های مداوم نیروی کار آن کمتر است.
گزینه دوم سطح پایین‌تر اتوماسیون با هزینه سرمایه کمتر است، اما با نیروی کار اضافی می‌باشد. سطح پایین‌تر اتوماسیون منجر به هزینه‌های بالاتر در دراز مدت شود. هنگام تصمیم‌گیری در سرمایه‌گذاری در كنترل های پرهزینه، بایستی به این فکر کنید که چه گزینه‌ای برای کسب و کارتان مفید است و چه تعداد پرسنل بایستی در آن كار كنند.
سیستم های پیش ساخته و آماده به کار
در صورت سفارش سیستم های پیش ساخته و آماده به کار استخراج و فرآوری لیتیوم، معمولاً با این کار با هزینه مشابه یا کمتر، حدود سه ماه در زمان ساخت سیستم صرفه‌جویی میکنید. مزیت سیستم های از پیش مونتاژ شده این است که تاسیسات و شرکت های تولیدی که این سیستم ها را مونتاژ می‌کنند، دانش گسترده‌ای در مورد سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم دارند. این امر منجر به تولید سریع و کارآمد در مقایسه با امکانات ساخت در محل می‌شود. گاهی اوقات كاركنان میدانی برای آموزش سیستم استخدام می‌شوند که می‌تواند زمان و یا هزینه اضافی را به پروژه اضافه کند. هزینه‌های نصب متفاوت هستند، اما معمولاً بین پانزده تا چهل درصد هزینه پروژه است. هزینه‌های نصب به مشخصات سیستم های از پیش مونتاژ و میزان کارهای عمرانی مورد نیاز در محل بستگی دارد.
برآورد هزينه‌های استخراج و فرآوری لیتیوم
ارسال سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم به کارخانه
اگر می‌خواهید سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم را به صورت پیش ساخته در كارخانه تحویل بگیرید، حدود پنج تا ده درصد هزینه حمل و نقل تجهیزات را در نظر بگیرید. این هزینه می‌تواند به زمانی از سال که سیستم را خریداری میکنید و مکان کارخانه كه تاسیسات تولیدی در آن قرار دارد، متفاوت باشد. اگر علاقه مند به خرید سیستم پیش ساخته هستید، با سازنده مشورت کنید تا ببینید آیا امکاناتی برای ساخت سیستم در مكان كارخانه و یا حتی محلی نزدیک به كارخانه وجود دارد یا خیر.
هزینه‌های عملیاتی سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم
به خاطر داشته باشید تاسیسات آماده برای خرید، از قبل هزینه مشخصی دارند اما هزینه‌های عملیاتی سیستم در طول زمان مشخص می‌شوند. برای تصمیم‌گیری، مزایا و معایب سرمایه‌گذاری اولیه در مقابل هزینه بلند مدت را بسنجید. ممکن است از شخصی بخواهید که تجزیه و تحلیل هزینه‌های عملیاتی را آماده کند تا شرکت بتواند از قبل برای هزینه‌های عملیاتی در طول چرخه عمر کارخانه استخراج و فرآوری لیتیوم برنامه‌ریزی کند. تجزیه و تحلیل می‌تواند به شما در صرف هزینه روی سیستم در ابتدا یا در طول زمان كمک كند.
سایر پرداخت ها و هزینه های احتمالی
هنگام خرید سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم، سایر پرداختی‌ها و هزینه‌های پنهان را نیز بایستی در نظر بگیرید. به عنوان مثال آیا مالیات سیستم یا هزینه خرید اضافی وجود دارد؟ هزینه‌های آب و برق احتمالی برای منطقه نصب سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم چقدر است؟ آیا هزینه‌های نظارتی و یا مجوزهای زیست محیطی نیاز است؟ آیا برای تست انطباق تحلیلی مستمر هزینه بایستی پرداخت كرد؟
همچنین هزینه‌های مربوط به تصفیه ضایعات ثانویه تولید شده توسط سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم نیز وجود دارد. با توجه به قوانین سختگیرانه زیست محیطی، بایستی ضایعات را برای تصفیه به شرکت دفع ضایعات حمل و نقل کنید و یا با دستگاه فیلتر پرس یا تبخیر كننده، آنها را به شكل جامد در آورید، سپس به شرکت دفع ضایعات منتقل کنید. همچنین با سازنده سیستم استخراج و فرآوری لیتیوم برای گزینه‌هایی که هزینه کمتری برای نصب دارند، مشورت کنید. آن ها پیشنهادی مبنی بر اینکه کدام سیستم ها نصب راحت‌تری دارند و روش هایی برای به حداقل رساندن هزینه‌ها به شما ارائه می‌دهند.
حرف آخر
در این مقاله به برسی روش‌های مختلف استخراج و فرآوری لیتیوم پرداختیم منبع اصلی مقاله با شما به اشتراک گذاشته می شود و اگر تمایل به اشتراک گذاری تجارب خود هستید با دیگران به اشتراک بگذارید.
