زيادة كفاءة استخراج الليثيوم والمعادن باستخدام زنبق الماء الصناعي

بديل للتعدين لاستخراج المعادن

When it comes to producing the key minerals to feed the world’s industries, there are really only 3 possible sources: mining rocks, recycling, and purifying dissolved minerals. For materials like iron and aluminum, traditional mines are the primary suppliers, with recycling also contributing.

ومع ذلك، بالنسبة للمواد مثل الليثيوم، أحد المصادر الرئيسية هو المراسب، وهي مياه غنية بالمعادن يجب تبخيرها لجمع المعادن التي تحتويها. تُستخدم طريقة مشابهة غالبًا في إنتاج أهم أسمنتين: النترات والبوتاس.

تتطلب هذه الطريقة برك تبخير ضخمة تغطي آلاف الأفدنة، مما يفرض تكلفة بيئية كبيرة على النظم الإيكولوجية المحلية.

المصدر: SQM

حتى الآن، تم الاعتماد فقط على أشعة الشمس لتسخين البرك وتبخير الماء. هذه العملية بعيدة كل البعد عن الكفاءة، وبالتالي تتطلب مساحات هائلة.

قد يتغير هذا الآن، بفضل مادة جديدة يمكنها تسريع عملية التبخر، تم تطويرها من قبل باحثين في جامعة برينستون وبالتعاون مع عملاق إنتاج الليثيوم Sociedad Química y Minera de Chile (SQM ).

نشروا اختراعهم في مجلة Nature Water¹ تحت عنوان “Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining”.

إنتاج الليثيوم على نطاق واسع

(غير مستدام) الطاقة الخضراء

عند عدم استخراج الليثيوم من الصخور (رواسب السبودومين)، يُوجد الليثيوم في الغالب في مراسب معدنية، مختلطة مع أملاح أخرى ومعادن مذابة. تُستخرج المراسب أساسًا من المياه الجوفية أو تُنتج عن طريق استخراج الليثيوم من الرواسب الغنية بالمعادن باستخدام المياه العذرة.

حاليًا، تُستخدم عشرات الآلاف من الهكتارات من البرك الشمسية حول العالم لاستخراج الليثيوم، وتملك تشيلي 6,000 هكتار (14,800 فدان).

تضع هذه الطريقة ضغطًا هائلًا على إمدادات المياه في هذه المناطق. والأسوأ من ذلك، أن المناطق الغنية بالليثيوم عادةً ما تكون صحارى، وهذا هو السبب في تركيز الليثيوم في رواسب قابلة للاقتصاد في المقام الأول. وبالتالي، قد يتم توجيه المياه المحدودة المتاحة بالكامل نحو صناعة الليثيوم، مما يعرض النظم الإيكولوجية المحلية والمجتمعات للخطر.

استهلاك الطاقة

تُعد برك التبخير هذه طريقة لاستغلال الطاقة الشمسية “مجانًا”. إنها خيار متفوق على البدائل التي تستخدم الكهرباء، مثل ضغط البخار الميكانيكي أو التحلية العكسية ذات الضغط الفائق.

على الرغم من أنها قد تكون أكثر بيئية، فإن هذه الأساليب القائمة على الكهرباء ستكون مستحيلة التنفيذ على نطاق واسع. على سبيل المثال، تستغل برك التبخير في تشيلي وحدها 65 تيرواط ساعة من الطاقة الشمسية، متجاوزةً 70٪ من إجمالي الإنتاج السنوي لتشيلي (~90 تيرواط ساعة سنويًا).

مشكلة كبيرة هي أنه، رغم أنه غير مكلف، فإن طريقة برك التبخير بعيدة كل البعد عن الكفاءة. أقل من نصف الطاقة الشمسية تتحول إلى طاقة حرارية، مما يساهم في التبخر.

هنا يأتي دور اختراع باحثي برينستون.

الأسمدة

ليس فقط الليثيوم بل يمكن أيضًا إنتاج الأسمدة عبر برك التبخير. ومن الجدير بالذكر أن SQM ينتج سنويًا 1.5 مليون طن منأملاح النترات من خام الكاليشي ومراسب السالار.

المصدر: SQM

هذا جزء من مزيج كيميائي معقد تستخرجه SQM من المراسب، بما في ذلك كلوريد الليثيوم، كلوريد البوتاسيوم، كلوريد المغنيسيوم، حمض البوريك، وكبريتات البوتاسيوم. ثم يُخلط البوتاسيوم معه لتكوين نترات البوتاسيوم.

على الرغم من أنه ليس مصدرًا كبيرًا للأسمدة مقارنةً بالتعدين المباشر أو تصنيع الأسمدة النيتروجينية باستخدام الغاز الطبيعي (عملية هابر-بوش)، فإن هذه عملية إنتاج أخرى ذات تأثير بيئي يمكن تحسينها عبر برك تبخير أكثر كفاءة.

تحسين عملية التبخر

الاكتشافات السابقة

يعتمد أحدث عمل للبحث والتطوير على تحسين كفاءة برك التبخير على الأعمال السابقة لنفس الباحثين وآخرين في هذا المجال. لقد عملوا على الظاهرة المسماة التبخر الشمسي الواجهى (ISE).

المفهوم الأساسي لـ ISE هو استخدام مادة عالية الامتصاص للضوء لالتقاط ما يقرب من 100٪ من الإشعاع الشمسي مع امتصاص الماء المالح الغني بالمعادن في الوقت نفسه.

المصدر: ResearchGate

تم تحقيق تقدم إضافي لتجنب تراكم الأملاح وتبلورها، مما قد يقلل الكفاءة مع مرور الوقت، وخاصةً تحسين عودة تدفق الملح، تصاميم هيكلية جانوس، والتبلور الاتجاهي.

شراكة بين القطاعين العام والخاص

تم إنجاز هذا العمل كجزء من برنامج START Innovators للجامعة. البرنامج، وهو مزيج من الزمالة الأكاديمية ومسرّع الشركات الناشئة، مكن الباحثين من الاستمرار في تطوير تقنيتهم مع إعداد خطة عمل وبناء مشاريع في مراحلها الأولى.

“المساعدة في تنمية نظام إيكولوجي يمكن فيه لأعضاء هيئة التدريس والباحثين لدينا ترجمة تقنياتهم إلى القطاع التجاري بفعالية هي وظيفة أساسية لمكتب الابتكار.”

Craig Arnold – نائب عميد الابتكار ومسؤول الابتكار الجامعي.

تهدف هذه المقاربة إلى تسريع نقل التكنولوجيا من أفكار المختبر إلى النطاق الصناعي وترجمة مهارات الباحثين الأكاديميين التقنية إلى تطبيقات عملية بشكل أفضل.

“ما نستطيع القيام به مع الباحثين مثل الأستاذ رين وفريقه هو مساعدة إعادة توجيه طريقة تفكيرهم حول أفكارهم. هدفنا هو تغيير منظور المشاركين جذريًا، بحيث يغادرون برنامجنا بمنظور مختلف تمامًا عما كان عند دخولهم.

نطرح عليهم أسئلة معقدة قد تكون خارج نطاق الباحث التقليدي ولكنها أساسية لترجمة الابتكارات الأكاديمية إلى نتائج ناجحة.

Nena Golubovic – مديرة برنامج التصميم من أجل الأثر في العلوم والهندسة

يبدو أن ذلك نجح، حيث انتقلت التقنية من “نماذج صغيرة في أحواض سباحة للأطفال” إلى اختبار منتجات جاهزة للتسويق في مرافق إنتاج المعادن في أمريكا الجنوبية في أقل من عامين.

“قدمت برينستون الأساس والنظام الإيكولوجي والموارد التي علمتنا المهارات والمعرفة التي نحتاجها للنجاح كشركة صغيرة.”

Sean Zheng – الرئيس التنفيذي لشركة Princeton Critical Minerals (سابقًا PureLi)

زيادة الكفاءة

بينما استخدم النموذج الأولي السابق الخشب كمادة لنقل الماء، اخترع الباحثون مُبلّرات ألياف السليلوز الملتوية. تمكن هذه التقنية ليس فقط من تبخير الماء بسرعة بل أيضًا من تبلور منفصل مكانيًا لاسترداد الليثيوم بشكل انتقائي.

كما استخدموا طلاءات مملوكة للملكية لموادنا القائمة على الكربون، مما يتيح تبخيرًا سريعًا، وفصلًا للمعادن، وخصائص مضادة للتلوث.

اختبرت شركة Princeton Critical Minerals الناشئة نموذجها الأول في بركة تبخير ليثيوم حقيقية مملوكة لشركة SQM، على شكل زنبق ماء يطفو على سطح الماء.

المصدر: ResearchGate

عند ملاحظتها بكاميرا حرارية، يتضح أن سطح الماء أكثر حرارة بكثير، مع وجود نقاط ساخنة خاصة في منطقة معينة من زنبق الماء الصناعي. أثبت التصميم قدرته على تحويل 96٪ من الطاقة الشمسية إلى طاقة حرارية، مقارنةً بكفاءة 50٪ للبرك المفتوحة.

المصدر: ResearchGate

هذا أدى إلى تحسين معدل التبخر بشكل جذري، حيث تضاعف المتوسط (زيادة تتراوح بين 40–122٪ حسب تركيزات المراسب). كما أدى إلى تقليل كبير في فقدان الماء إلى قاع البركة، حيث حدثت العملية بسرعة أكبر.

المصدر: ResearchGate

بحوث إضافية

أثبتت بيانات الكاميرا الحرارية أن الطريقة الأساسية التي يعمل بها زنبق الماء الصناعي هي الحفاظ على حرارة الشمس عند سطح البركة، حيث يحدث التبخر فعليًا، بدلاً من القاع حيث تُفقد الحرارة.

نظرًا لتأثير درجة الحرارة على ذوبان المعادن، قد يكون تعديل درجة الحرارة على سطح زنبق الماء أكثر تحسينًا لإنتاج الليثيوم.

“ظهرت هذه الأسئلة فقط بعد أن رأينا نتائج الاختبارات الميدانية. لو كنا قد أبقينا عملنا في المختبر، ربما لم تظهر هذه الاتجاهات الجديدة.”

Z. Jason Ren – أستاذ الهندسة المدنية والبيئية

خطوة أخرى ستكون بدء تصنيع زنبق الماء الصناعي على نطاق واسع واستكشاف اقتصاديات الجهاز، بالإضافة إلى نماذج الأعمال المحتملة طويلة الأجل لشركة Princeton Critical Minerals.

شركات تبخير الليثيوم

Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

تُعد SQM ثاني أكبر شركة لتعدين الليثيوم في العالم، حيث تقع أصولها في تشيلي والليثيوم يمثل الجزء الأكبر من أعمال الشركة. كما أنها الرائدة في السوق في إنتاج نترات البوتاسيوم ذات الأصل الطبيعي وتبيع مواد كيميائية متخصصة مثل اليود، كلوريد البوتاسيوم، حمض البوريك، وكلوريدات المغنيسيوم.

المصدر: SQM

في أبريل 2023، اضطرت الشركة لمواجهة خطوة من تشيلي تهدد بتأميم جزئي لصناعة الليثيوم في البلاد. بعد الصدمة الأولية، أوضحت تفاصيل إضافية حول الخطة أن البلاد لا تزال تنوي جذب الاستثمارات الأجنبية الخاصة.

وبشكل أكثر تحديدًا، تعيد الشركة الوطنية للليثيوم Coldeco التفاوض على عقد مع SQM، وسيتم عرض رواسب ليثيوم أخرى للاستغلال. سيظل العقد الحالي محترمًا وسيستمر حتى عام 2030.

نظرًا لاستمرار المفاوضات، تتوفر معلومات قليلة، ومن الصعب التنبؤ بالمستقبل الطويل الأجل لـ SQM. ومع ذلك، تُعد تشيلي دولة تعتمد بشكل كبير على التعدين في اقتصادها، وقد أجبر الرد الأولي ضد خطط التأميم، التي أثرت ليس فقط على الثقة في الليثيوم بل في جميع قطاعات التعدين، الحكومة على تقييد طموحاتها (في الوقت الحالي؟).

تبع تهديد التأميم انخفاضًا مستدامًا في أسعار الليثيوم الدولية، مما أدى إلى انخفاض سعر سهم الشركة، بعيدًا عن ذروته في نهاية عام 2022.

المصدر: Carbon Credit

الليثيوم شهد نموًا في حجم المبيعات (+13٪)، وانخفاضًا كبيرًا في متوسط أسعار المبيعات السنوية (-41٪) في الربع الرابع 2024 مقابل الربع الرابع 2023

نتيجة لانخفاض أسعار الليثيوم، حققت الشركة إيرادات أكبر بكثير في عام 2024، نسبيًا، من منتجات أخرى مقارنةً بالماضي، حيث يمثل اليود 39٪ من الأرباح الإجمالية.

المصدر: SQM

يمكن اعتبار ذلك إما انعكاسًا للمخاطر الحقيقية التي تواجه الشركة أو فرصة لجذب المستثمرين المستعدين لتحمل المخاطر والحصول على عائد أرباح ثابت.

كما هو الحال مع جميع الاستثمارات في الليثيوم، سيحتاج المستثمرون إلى الإلمام بسوق السيارات الكهربائية (الطلب وإمكانات الكيمياء المبتكرة مثل بطاريات الصوديوم-أيون، التي لا تستخدم الليثيوم) ويتوقعون استمرار التقلب العالي لأسعار الليثيوم في المستقبل القريب، حتى وإن بدت المخاطر السلبية أكثر تسعيرًا.

يمكنك قراءة المزيد عن الليثيوم والبطاريات في مقالاتنا “Is Lithium Demand Set to Plummet with New Sodium-Ion Batteries?”، “Does Arkansas Hold the Answer to Our Lithium Needs?” و “Investing in Nobel Prize Achievements: Lithium-Ion Batteries To Power The World”.

آخر الأخبار عن Sociedad Química y Minera de Chile S.A.

^{الدراسات المشار إليها:}

^{1. Zheng, S., Oelckers, B., Khandelwal, A. وآخرون (2025). Interfacial solar evaporation for sustainable brine mining. Nature Water 3, 135–137. https://doi.org/10.1038/s44221-025-00394-y}