تتيح الأغشية الانتقائية مسارًا جديدًا لاستخلاص الليثيوم

يتطلب إنتاج مزيد من البطاريات ما هو أكثر من العثور على الليثيوم. فعلى المنتجين فصله عن المواد الأخرى وتحويله إلى مادة ملائمة للتصنيع. ويُعدّ هذا التحدي في المعالجة جزءًا مهمًا من التحول إلى الطاقة النظيفة، حتى عندما تحظى الاكتشافات والاختراقات في مجال البطاريات باهتمام أكبر.

طوّر باحثون في جامعة تكساس في أوستن قنوات جزيئية اصطناعية تنقل الليثيوم عبر الأغشية على نحو تفضيلي. وتستلهم دراستهم، قنوات الليثيوم الاصطناعية عالية الانتقائية، تصميمها من البوابات التي تستخدمها الخلايا الحية للتحكم في حركة الأيونات.¹

تشير النتائج إلى مسار واعد لتنقية الليثيوم. وتتمثل الفرصة الأوسع في جعل الفصل أكثر دقة، ما قد يقلل حجم العمل المطلوب في أجزاء أخرى من منشأة المعالجة. ويتوقف تحقق فائدة تجارية من ذلك على أداء هذه القنوات الدقيقة عند تجميعها في أغشية أكبر وأكثر متانة.

لماذا يصعب فصل الليثيوم؟

يوجد الليثيوم في المحاليل الملحية إلى جانب الصوديوم والبوتاسيوم والمغنيسيوم والكالسيوم المذابة. وتكون هذه العناصر على هيئة جسيمات مشحونة تُسمى أيونات. ولا يكفي لفصلها استخدام غربال ذي ثقوب بالحجم المناسب، لأن تفاعلاتها مع الماء ومواد الأغشية تؤثر في الأيونات التي يمكنها العبور.

تحمل كل أيونات معها جزيئات ماء محيطة بها، تُوصف غالبًا بأنها غلاف الإماهة. وقد يتطلب المرور عبر قناة ضيقة إعادة ترتيب هذا الغلاف أو التخلص من بعضه، وهو ما يكلّف طاقة. كما يمكن للمجموعات الكيميائية المبطنة للقناة أن تجذب الأيونات المختلفة بدرجات متفاوتة.

وهذا يتيح تصميم أغشية تميّز بين الأيونات استنادًا إلى الكيمياء والحجم معًا. وقد تناولت تغطية سابقة لموقع Securities.io أغشيةً لاستخلاص الليثيوم على نحو مستدام، واستعرضت نهجًا آخر يستخدم إلكتروليتات الحالة الصلبة. أما القنوات الجديدة، فتسعى إلى الهدف العام نفسه من خلال بنية جزيئية مختلفة.

كيف تعمل قنوات الليثيوم المستوحاة من الطبيعة؟

صمّم الباحثون قنواتهم حول جزيء حلقي يُسمى بيلارارين، وأضافوا إليه سلاسل تنتهي بمجموعات كيميائية تُعرف باسم أكسيد ثنائي فينيل الفوسفين. وتساعد هذه المجموعات عند مدخل القناة على تحديد الأيونات التي يمكنها الدخول إليها.

تشير المحاكاة إلى أن الليثيوم يستطيع الاحتفاظ بقدر كبير من غلاف الإماهة المدمج المحيط به، مع تفاعله على نحو ملائم مع الأكسجين عند المدخل. أما الصوديوم والبوتاسيوم، فيتفاعلان مع تلك المنطقة بطريقة مختلفة. وفي عمق القناة، يفرض الحصر عوائق إضافية، ولا سيما أمام المغنيسيوم والكالسيوم.

يمكن تشبيه الأمر بمدخل يفرض قيدًا على الحجم، إلى جانب قاعدة كيميائية تحدد ما يُسمح له بالعبور. فلا يكفي أن يكون الجسيم صغيرًا بما يكفي؛ بل عليه أيضًا اجتياز المدخل والتعامل مع الظروف داخل القناة.

دعّم الفريق محاكاته بقياسات مخبرية. فقد قاست الاختبارات الكهربائية انتقال المواد عبر قنوات مدمجة في أغشية دهنية، فيما وفّرت تجارب التألق وسيلة أخرى لتقييم النشاط. وأظهر تصميم القناة الأطول نشاطًا لنقل الليثيوم يعادل نحو 3.2 أضعاف ما حققته نسخة أقصر، ما يوضح أثر مواءمة القناة مع الغشاء المحيط بها في الأداء.

ما الذي تكشفه نتائج قنوات الليثيوم؟

تتضمن المعلومات التكميلية المقارنة التالية. وتصف أرقام الانتقائية هذه النقل النسبي للأيونات في ظروف المختبر، ولا تمثل نسبًا لليثيوم المستخلَص أو قياسات لنقاء المنتج أو مضاعفات لحجم الإنتاج في المصانع.

يدعم الجدول وجود نتيجة قوية في مواجهة عدة أيونات منافسة، لكنه لا يثبت تحقيق رقم قياسي في جميع الحالات. فقد حققت إحدى القنوات السابقة المدرجة انتقائية أعلى لليثيوم مقارنةً بالبوتاسيوم. كما أن الاختلافات بين الدراسات تجعل الجدول مقارنة بحثية، لا ترتيبًا للأنظمة التجارية.

استخدمت التجارب الكهربائية الرئيسية محلولي ملح منفصلين على جانبي فتحة صغيرة في غشاء. أما المحاليل الملحية الطبيعية فتطرح تحديًا أكبر، إذ تتنافس فيها أيونات كثيرة في الوقت نفسه، وغالبًا ما تكون تراكيزها متفاوتة. ويثبت النجاح باستخدام المحاليل المنفصلة وجود خصائص مفيدة، لكنه لا يثبت نقاء المنتج أو معدل استخلاصه في عملية تستخدم محلولًا ملحيًا مختلطًا.

من الجزيئات الانتقائية إلى الأغشية العملية

يتمثل التحدي التالي في ترتيب عدد كافٍ من القنوات العاملة على مساحة غشائية مفيدة. فالقناة التي تؤدي عملها جيدًا بمفردها لن تضيف الكثير إذا كانت معظم القنوات غير مصطفة أو مسدودة أو متضررة أثناء التصنيع.

تقدّر المعلومات التكميلية الأداء الكهربائي للأغشية الأكبر حجمًا، استنادًا إلى كثافات مفترضة للقنوات. وعند نسب قنوات فعالة وموجّهة على نحو صحيح تتراوح بين 0.1% و1%، تتوقع مقاومة نوعية سطحية تبلغ نحو 2.9 إلى 0.29 أوم·سنتيمتر مربع. وتعني المقاومة الأقل ممانعةً أقل لمرور التيار الكهربائي.

تشير هذه التقديرات إلى مسار يستحق الاختبار، لكنها لا تثبت تصنيع غشاء بهذه الخصائص. تجمع الحسابات بين التوصيلية المقاسة لقناة واحدة وبين افتراضات بشأن كثافة الترصيف والنشاط، ويميّز الباحثون صراحةً بينها وبين المقارنة التجريبية بالأغشية التجارية.

ويفيد الإعلان البحثي للجامعة في أكتوبر بأن الفريق يعمل على دمج القنوات في أغشية أكبر. ولا بد من إجراء تجارب على محاليل ملحية طبيعية واختبارات صناعية.

ثمة ثلاثة أسئلة عملية ستحدد القيمة:

• هل يستطيع الغشاء الحفاظ على انتقائيته مع معالجة كمية كافية من الليثيوم في الساعة؟
• هل يمكنه تحمّل التشغيل لفترات طويلة والتلوث والتنظيف؟
• هل تتجاوز الوفورات في مراحل العملية تكاليف التصنيع والطاقة والاستبدال؟

كيف يمكن لتحسين الفصل أن يغيّر اقتصاديات الليثيوم

قد يكون الدور التجاري الأكثر فائدة، في البداية، هو استخدام الغشاء في مرحلة واحدة من منشأة قائمة. فمن الممكن أن يزيل الغشاء الانتقائي شوائب مزعجة أو يحسّن تياراً وسيطاً قبل التنقية النهائية. وقد يكون التحقق من جدوى هذا الاستخدام المحدود أسهل من استبدال عملية استخلاص كاملة.

ويغيّر ذلك أيضاً طريقة قياس التقدم. فأهمية نسبة الانتقائية اللافتة تتجلى أساساً عندما تخفض التكلفة الإجمالية لكل وحدة من الليثيوم القابل للبيع. أما الغشاء شديد الانتقائية، لكنه منخفض الإنتاجية، فقد يتطلب مساحة سطحية كبيرة إلى حد يجعل تكاليف المعدات تلتهم الفائدة.

وعلى العكس، قد يكون لتحسين الفصل بدرجة متوسطة قيمة إذا قلّل الحاجة إلى تكرار المعالجة. والسؤال المهم هو أداء المنشأة بأكملها، بما يشمل التعامل مع المياه والمواد الكيميائية والكهرباء والصيانة والنفايات.

وقد تجعل المعالجة المحسّنة موارد كان استغلالها صعباً في السابق أكثر جاذبية أيضاً، لكن ذلك يظل احتمالاً لا نتيجة توصلت إليها هذه الدراسة. فتوافر الموارد يختلف عن الإمدادات التي يمكن استخراجها بجدوى اقتصادية. ويمكن لتحسين الفصل أن يضيّق هذه الفجوة من دون الحاجة إلى مكمن جديد.

وتؤكد ظروف الاستثمار أهمية التكاليف. إذ يشير تقرير وكالة الطاقة الدولية لعام 2026 بشأن المعادن الحرجة إلى أن شركات الليثيوم خفّضت استثماراتها بنحو 40% في عام 2025. وقد تكون التقنيات التي تثبت قدرتها على الصمود خلال دورات الأسعار أكثر جاذبية من تلك التي تعتمد جدواها الاقتصادية على أسعار بيع مرتفعة على نحو غير معتاد.

Rio Tinto تربط ابتكارات الليثيوم بالنطاق الصناعي

وبالنسبة إلى المستثمرين المهتمين بمعالجة الليثيوم تجارياً، فإن Rio Tinto (RIO ) تُعدّ شركة راسخة جديرة بالدراسة. ويستخدم مشروعها Rincon في الأرجنتين تقنية الاستخلاص المباشر لليثيوم، ما يجعله جزءاً من الجهود الأوسع لتحسين استخلاص الليثيوم من المحاليل الملحية.

وفي إعلانها عن تمويل Rincon في مارس 2026، كشفت Rio Tinto عن حزمة تمويل بقيمة 1.175 مليار دولار لدعم المشروع البالغة كلفته 2.5 مليار دولار. وحددت الشركة طاقة إنتاجية سنوية تقارب 60,000 طن من كربونات الليثيوم المستخدمة في البطاريات، مع توقع بدء الإنتاج من التوسعة في عام 2028، ومرور المشروع بفترة تصاعد في الإنتاج تستغرق ثلاث سنوات.

ويوضح ذلك حجم رأس المال والجهود التنفيذية اللازمة لتحويل تقنية الاستخلاص إلى إمدادات. وتتيح Rio Tinto للمستثمرين التعرض لتطوير مشاريع الليثيوم التجارية ضمن شركة تعدين متنوعة الأنشطة. ولا تثبت المواد التي خضعت للمراجعة وجود أي صلة بين الشركة وهذه القنوات التي طورتها الجامعة.

وينبغي للمستثمرين أيضاً التمييز بين التحسن التقني وعوائد المساهمين. فكما يوضح تحليل Securities.io الأخير بشأن اقتصاديات الليثيوم والاستثمار في البطاريات، لا يؤدي نمو الطلب على البطاريات تلقائياً إلى هوامش ربح جذابة لمورّدي المواد الخام. ويمكن أن يساعد خفض تكاليف المعالجة، لكن أسعار السلع الأساسية وتنفيذ المشاريع يظلان عاملين مهمين.

أحدث أخبار وتطورات Rio Tinto (RIO)

خطوة واعدة نحو استخلاص الليثيوم بدقة أكبر

تمثل هذه القنوات الاصطناعية تقدماً موثوقاً في التحكم بانتقال الليثيوم. وتكمن أهميتها في الجمع بين الأدلة التجريبية والتفسير الجزيئي الذي يمكن أن يوجّه المزيد من أعمال التصميم.

وسيكون الاختبار الحاسم التالي إثبات أداء مستدام في غشاء عملي يعالج مواد أولية واقعية. وإذا نجحت هذه الخطوة، فقد يساعد الفصل المتزايد الدقة على تسهيل إنتاج مواد البطاريات. أما الآن، فتوفر الدراسة أساساً واعداً وأهدافاً هندسية محددة بوضوح.

المراجع:

¹ Behera, H., Duncan, T. J., Samineni, L., Oh, H., Yao, C., Dhiman, R., Wang, S., Hatch, L., Ganesan, V., و Kumar, M. (2026). قنوات ليثيوم اصطناعية عالية الانتقائية [Supplementary information]. Journal of the American Chemical Society. https://doi.org/10.1021/jacs.6c13878