لیتیوم
لیتیوم چیست؟ لیتیوم خالص، یک فلز نرم و سفید نقرهای است. به دلیل عدم وجود آن در حالت بومی خود به دلیل واکنشپذیری بالا؛ فقط در نمکها و سایر ترکیبات وجود دارد.
لیتیوم بهطور طبیعی در سنگهای آذرین فلسیک به شکل سایر میکاهای غنی از لیتیوم (لپیدولیت) یا به صورت سیلیکات کانی در پگماتیتها (اسپودمن) وجود دارد و به دلیل حلالیت زیاد و ناسازگاری آن در بیشـتر مواد معدنی، در نمکهای خشکی و آب دریا نیز وجود دارد. لیتیوم به شکل تصفیهشده در کاتد سلولهای باتری لیتیوم یون (LIB) استفاده میشود. این فرآیند شیمیایی تبدیل کربنات لیتیوم به هیدروکسید با کاربرد کلسیم هیدروکسید است.
کاربردهای لیتیم چیست
لیتیوم یکی از اجزای مهم در باطریهای قابل شارژ است که در تلفنهای همراه، رایانههای دستی و خودروهای برقی مورد استفاده قرار میگیرد. در حال حاضر، آلیاژی از لیتیوم و آلومینیوم در صنایع هواپیماسازی مورد استفاده قرار میگیرد که سبک، قابل انعطاف، محکم و مقاوم است.
علاوه بر این، لیتیوم نیروی کششی زیادی دارد و به دلیل وزن کم آن، گزینه بسیار مناسبی برای باتریهای کم وزن و پرانرژی است. همچنین، این ماده معدنی همراه با سرب، آلیاژی را تولید میکند که در ساختن بلبرینگ چرخهای قطار استفاده میشود. از دیگر مصارف لیتیوم میتوان به کاربرد آن در صنعت داروسازی اشاره کرد.
با این همه در مورد مصرف لیتیوم هم در صنایع و همچنین در داروسازی توجه به یک نکته بسیار مهم محسوب میشود؛ چرا که مرز میان سودمند بودن این ماده و سمی بودنش برای انسان و محیط زیست بسیار بسیار نازک و شکننده است. شکل زیر، فرآیند کاربردهای لیتیوم و مسیرهای تبدیل منابع اولیه به کاربردهای مختلف لیتیوم را نشان میدهد.
لیتیم، به علت گرمای ویژهاش (بالاتر از تمامی جامدات) در انتقال حرارت مورد استفاده قرار میگیرد. به علت خاصیت electrochemical ، ماده مهمی درآید باطریها محسوب میشود.
انواع مختلفی از باتریهای لیتیومی وجود دارد و کاربرد مواد معدنی مختلف برای کاتد باتریها، با خصوصیات متفاوت تولید میکند. رایجترین نوع باتریها عبارتند از: اکسید کبالت، اکسیدلیتیوم منگنز، لیتیوم فسفات آهن، لیتیوم کبالت نیکل منگنز و اکسیدآلومینیوم لیتیوم نیکل کبالت که در جدول بهطور خلاصه آورده شده است.
معدن لیتیوم در ایران
منابع طبیعی لیتیوم به دو دستۀ کلی تقسیم میشوند. یکی شورآبههای حاوی فلزات قلیایی و دیگری کانسنگهای معدنی نظیر spodumene و lepidolite. در ایران نیز معادنی از هر دوگونه یافت میشود. شهر نهبندان و اطراف بیرجند که از توابع استان خراسان هستند، شورآبههای قم، اصفهان و سمنان، دریاچه ارومیه و نیز دریاچههای چهارمحال بختیاری دارای ذخایری از این عنصر هستند. اخیراً نیز معدنی در همدان یافت شده است که حاوی لیتیوم است.
دریاچه نمک قم دارای وسعت ۲ هزار و ۳۰۰ کیلومتر مربع است و شورابههای آن حاوی عنصر لیتیوم هستند. میزان درصد لیتیوم در این شورابهها پایین است ولی به دلیل وسعت بسیار زیادی که دارند استخراج این عنصر دارای ارزش اقتصادی است. معاون سازمان زمینشناسی و اکتشافات معدنی کشور در طی خبری بیان کرده است که در ۴۰ تا ۵۰ نمونهای که از دریاچه نمک بدست آورده شده است بیش از ۲۰۰ گرم لیتیوم در هر تن یافت شده است.
در حالی که در جهان میزان لیتیوم خالص در هر تن به میزان ۴۰ گرم است و این نشان میدهد این دریاچه نمک در زمینه عنصر لیتیوم نسبت به دریاچههای جهان دارای مزیت اقتصادی باشد. علاوه بر دریاچه قم، در سال ۱۳۹۱ نیز خبری مبنی بر کشف یک معدن در نزدیکی قم که دارای لیتیوم است منتشر شد. در اسفند سال ۱۳۹۶ نیز رئیس سازمان صنعت، معدن و تجارت استان خراسان جنوبی اعلام کرد که در مطالعات اکتشافی خود ماده معدنی لیتیوم در نوار مرزی زیرکوه به مساحت ۲ هزار و ۷۰۰ کیلومتر مربع شناسایی شده است.
گمانهزنیهایی نیز وجود دارد که دریاچه ارومیه منبعی غنی از لیتیوم است و نمکهای موجود در آن میتواند درصد خوبی از نیاز آینده به عنصر لیتیوم را تأمین کند.
اخیراً معاون امور معادن و سازمان صمت استان همدان خبر از کشف یک معدن ذخیره لیتیوم در همدان را داده است، وی بیان کرد که این معدن به عنوان اولین معدن ذخیره لیتیوم در ایران شناخته میشود که احتمالاً دارای ارزش اقتصادی استخراج لیتوم است. همچنین وی افزود که دو معدن در دشت قهاوند کشف شده است که حاوی لیتیوم است و وسعت آنها حدود یازده کیلومتر مربع است.
این معادن در زمینی از جنس رس یافت شدهاند. او همچنین بیان کرد کشف این معدن چهار سال به طول انجامید و تا دو سال آینده نیز راهاندازی خواهد شد. از آنجایی که کشور ما تکنولوژی استخراج لیتیوم از منابع شورابهها و کانسنگها را ندارد لازم است از تکنولوژیهای کشورهای دیگر برای این منظور استفاده شود. در میان کشورهای دارای این فناوری احتمالاً با دو کشور چین و روسیه برای استخراج لیتیوم همکاری شود.
همانطور که گفته شد، به طور رایج کانسنگها دارای ۱ تا 1.5 درصد از ترکیب اکسید لیتیوم هستند، به عبارتی فقط 0.18 تا 0.29 درصد از این کانسنگها را لیتیوم تشکیل میدهد. کشورهایی مانند شیلی، استرالیا و آرژانتین دارای میلیونها تن لیتیوم خالص هستند. همچنین در خبری دیگر، عضو کمیسیون معادن و صنایع معدنی اتاق بازرگانی ایران گفته است که در معان یزد نیز تا حدی کانسنگ لیتیوم یافت شده است ولی در کنار سایر مواد معدنی قرار گرفته است.
رئیس سازمان زمینشناسی و اکتشافات معدنی اظهار داشت که در ایران معادن کوچکی از لیتیوم کشف شده است ولی این اکتشافات در حدی نیست که بتوان به عنوان منابع ذخیره لیتیوم بر روی آنها حساب کرد همچنین بر روی این معادن هنوز کار تخصصی انجام نشده است.
یکی از منابع کمتر بررسی شده لیتیوم، پسآبهای ایجاد شده در میادین نفت و گاز است. پسآب و گِل استفاده شده در چاههای نفتی، لیتیوم را در خود حل کرده و به سطح زمین منتقل میکند لذا میتوان از آن بعنوان یکی از منابع استخراج لیتیوم به کمک استفاده از روشهای غشاءهای تبادلی، استخراج حلالی، جاذبهای سطحی و یا الکترولیز یاد کرد.
استخراج لیتیوم
به طور کلی روشهای فیزیکی و شیمیایی متفاوتی را میتوان برای استخراج لیتیوم از شورابهها و سنگ معدن استفاده کرد. استحصال لیتیوم در استرالیا از استخراج سنگ معدن به دست میآید، که با استفاده از فرآیندهای جداسازی و فرآیندهای متالورژی انجام میشود. در حالی که در شیلی و آرژانتین لیتیوم از بیابانهای نمک (به اصطلاح شورابهها) به دست میآید و با استفاده از روشهای جداسازی واکنشگرهای تبخیری و شیمیایی صورت میپذیرد.
در مقاله کانیشناسی لیتیوم درباره شورابهها و کانیهای دیگر توضیح داده شده است برای مطالعه بیشتر میتوانید به آن مراجعه کنید.
روش استاندارد استخراج لیتیوم از شورابهها
۱) پمپاژ آب شور غنی از لیتیوم از دریاچههای زیرزمینی به سطح زمین و انتقال آن به حوضچههای بزرگ تبخیر است که دارای هزاران هکتار مساحت است.
۲) در حوضچهها، لیتیوم و سایر نمکها با استفاده از روش تبخیر خورشیدی به مدت یک سال یا بیشتر تغلیظ میشوند. مرحله تبخیر آب شور به منظور دستیابی به غلظت کافی لیتیوم (حدود ۶۰۰۰ میلی گرم بر کیلوگرم) انجام میشود.
۳) در ادامه، اجزای غیر لیتیومی که با استفاده از مراحل متوالی تغلیظ تبخیری حذف نشدهاند، با استفاده از روش بارش (رسوب زایی) که با افزودن معرفهای شیمیایی انجام میشود، جدا میشوند. معرفهای شیمیایی که در روش بارش استفاده میشوند عمدتاً آهک خشک شده (Ca(OH)۲) هستند.
۴) محلول غنی شده از لیتیوم به یک کارخانه فرآوری منتقل میشود که در آن اجزای ناخواسته باقی مانده از محلول با روشهای غیر تبخیری از محلول خارج میشوند.
این روشها معمولاً اختصاصی هستند اما میتوانند شامل افزودن معرفها، فیلتراسیون، استخراج با حلال و تبادل یونی باشند. آب شور خالص شده که دارای لیتیوم غلیظ شده است از نظر شیمیایی با خاکستر سودا (Na۲CO۳) برای تولید کربنات لیتیوم (Li۲CO۳) یا به منظور پردازش بیشتر برای تولید هیدروکسید لیتیوم (LiOH·H۲O) پردازش میشود. پردازش آب نمک تبخیری معمولاً فقط ۵۰ درصد از محتوای لیتیوم اصلی آب شور را بازیابی میکند. طبق اطلاعات S&P Global Market Intelligence (۲۰۱۹)، هزینه تولید لیتیوم از آب شور به طور متوسط ۵۵۸۰ دلار در هر تن LCE (هم ارز کربنات لیتیوم) است.
همیشه انتقاداتی در مورد استخراج لیتیوم از شورابهها وجود دارد؛ در برخی مناطق، مردم از افزایش خشکسالی شکایت دارند که برای مثال دامداری را تهدید میکند یا منجر به خشک شدن پوشش گیاهی میشود. البته از دیدگاه کارشناسان، هنوز مشخص نیست که خشکسالی تا چه حد به استخراج لیتیوم مرتبط است.
استخراج لیتیوم از سنگ معدن
با ارزشترین معادن سنگ سخت به طور غالب دارای پگماتیتهای گرانیتی است که حاوی ۱ تا ۲ درصد وزنی Li۲O است.
فرآوری سنگ معدن شامل:
۱) خرد کردن سنگ معدن استخراج شده،
۲) تغلیظ مواد معدنی لیتیوم از طریق شناورسازی،
۳) حرارت دادن در دمای ۱۰۵۰ درجه سانتیگراد و تصفیه با اسید سولفوریک و
۴) حرارت دادن ثانویه در دمای ۲۰۰ درجه سانتیگراد برای تولید کنسانتره لیتیوم است.
سپس کنسانتره لیتیوم از طریق فرآیندهای چند مرحلهای شامل شستشو، جداسازی مایع از جامد و حذف ناخالصی از طریق رسوب و تبادل یونی به Li۲CO۳ یا LiOH·H۲O تبدیل میشود.
طبق اطلاعات S&P Global Market Intelligence (۲۰۱۹)، هزینههای تولید لیتیوم از استخراج سنگ معدن به طور متوسط ۲۵۴۰ دلار در هر تن LCE بوده است. با این حال، این هزینه تولید کنسانتره معدنی است که باید به محصولات نهایی مانند کربنات لیتیوم و هیدروکسید لیتیوم تبدیل شود. تبدیل به لیتیومی که قابل استفاده در باتری است نیز میتواند ۲۰۰۰ تا ۲۵۰۰ دلار در هر متر کنسانتره استخراج شده هزینه داشته باشد.
برترین کشورهای تولیدکننده لیتیوم
پیش از پرداختن به برترین کشورهای تولیدکننده لیتیوم، باید میان کشورهای تولیدکننده فعلی لیتیوم که معادن خود را جهت بهرهبرداری محصول مذکور به کار گرفتهاند و کشورهایی که معادن جهت استخراج محصول مذکور را دارند، اما هنوز به مرحله بهرهبرداری و استخراج نرسیدهاند، تمایز قائل شویم. در سال، ۲۰۲۰ استرالیا از نظر تولید معدن لیتیوم با تولید ۴۰ هزار تن پیشرو جهان بوده است.
بهطوریکه یکی از بزرگترین تولیدکنندگان لیتیوم در دنیا، استرالیاییها هستند. این تولید حاصل ادغام چهار شرکت استرالیایی هست که 3.1 میلیارد دلار سرمایهگذاری کردند و تولید لیتیوم و ترکیبات شیمیایی آنرا در دنیا به دست آورند. این سرمایهگذاری مشترک سبب شد که لیتیوم هیدروکسید که برای ساخت کاتد باتریهای لیتیومی در خودروهای الکتریکی استفاده میشود، توسط استرالیا تأمین شود. با تولید این مواد معدنی، اکنون استرالیا بزرگترین تولیدکننده هیدروکسید لیتیوم در جهان است.
این شرکت بهتازگی مالک ۱۹ درصد از یک مرکزبالقوه لیتیوم در کانادا شده، که میتواند به افزایش تولید برای تأمین نیاز خودروسازان کمک کند. یکی از عوامل عدم توسعه لیتیوم و استخراج آن در استرالیا، نبود نیرویکار و کمبود ظرفیت فرآوری برای بهرهبرداری معادن این ماده است. شیلی و چین به ترتیب با تولید لیتیوم معادل ۱۸ هزار و ۱۴ هزار تن در رتبههای دوم و سوم قرار گرفتند. در ادامه آرژانتین، برزیل، زیمباوه و پرتغال در رتبه بعدی استخراج و بهرهبرداری قرار دارند. بنابراین رقابت اصلی میان شیلی و استرالیا در سالهای اخیر رقم خورده است.
قیمت هر کیلو لیتیم
قیمت لیتیوم بسته به بازار و نوع لیتیومی که به فروش میرسد میتواند متفاوت باشد. در اینجا برخی از قیمتهای اخیر لیتیوم آورده شده است:
11.048 دلار به ازای هر کیلوگرم: این قیمت لیتیوم تا ۷ نوامبر ۲۰۲۳ است، طبق (Daily Metal Price) 24.60-26.00 دلار به ازای هر کیلوگرم: این ارزیابی روزانه از کربنات لیتیوم 99.5٪ Li۲CO۳ قیمت چین، ژاپن و کره از ۲۵ سپتامبر ۲۰۲۳، طبق Fastmarkets است.
23.00-24.50 دلار به ازای هر کیلوگرم: این ارزیابی روزانه قیمت کربنات لیتیوم 99.5٪ Li۲CO۳ قیمت چین، ژاپن و کره در تاریخ ۱۳ اکتبر ۲۰۲۳، طبق Fastmarkets است.
توجه به این نکته مهم است که قیمت لیتیوم میتواند بر اساس عوامل مختلفی از جمله عرضه و تقاضا، هزینههای تولید و روند بازار در نوسان باشد. علاوه بر این، منابع مختلف ممکن است قیمتهای کمی متفاوت را بر اساس روششناسی و بازار خاصی که دنبال میکنند گزارش کنند.
آیا میدانید واکنش لیتیوم با آب چگونه است
لیتیم به سادگی با آب واکنش میدهد ولی انرژی بسیار کمتری نسبت به دیگری فلزهای قلیایی در این واکنش پدید میآید. محصولهای این واکنش گاز هیدروژن و هیدروکسید لیتیم در محلول آبی است. به دلیل واکنش بالای لیتیم با آب، همواره آن را زیر پوشش هیدروکربنهای گرانرو مانند وازلین نگه میدارند.
واکنش لیتیم با آب در دمای معمولی، به تندی صورت میگیرد اما آسیبرسان نیست و هیدروژن تولیدی به خودی خود آتش نمیگیرد. مانند دیگر فلزهای قلیایی، خاموش کردن آتش لیتیم کمی دشوار است و حتماً باید از گَردهای خاموشکننده آتش، ردهٔ D کمک گرفت (خاموشکنندههای دستی آتش را نگاه کنید). لیتیم تنها فلزی است که در دمای معمولی و شرایط معمولی با نیتروژن واکنش میدهد.
برای دانلود PDF مقاله لیتیوم چیست فرم زیر را پر کنید.
"*"فیلدهای ضروری را نشان می دهد
مهندس انیس رحمن خواه
کارشناس تولید محتوامقالات مرتبط
