تعزيز الليثيوم من مياه المناجم باستخدام التحلية القائمة على هيدرات CO2

تحويل مياه الصرف إلى مصدر لمعدن البطاريات

بينما تتسابق العالم لبناء المزيد من السيارات الكهربائية وتخزين الطاقة المتجددة، يرتفع الطلب على الليثيوم — المكون الرئيسي في معظم البطاريات القابلة للشحن. وفي الوقت نفسه، تولد المناجم حول العالم كميات هائلة من مياه الصرف المالحة التي تكلف الكثير لإدارتها وقد تضر بالأنهار والبحيرات المجاورة. تستكشف هذه الدراسة طريقة لمعالجة المشكلتين معًا: استخدام عملية تشبه التجمد يقودها الغاز لتنقية مياه المناجم أثناء تركيز آثار الليثيوم الضئيلة فيها إلى شكل أسهل كثيرًا في الاسترداد.

طريقة جديدة للتنقية والتركيز

بدلًا من الاعتماد على المرشحات والغشاء التقليديين، لجأ الباحثون إلى ظاهرة غير مألوفة: هيدرات الغازات. هي بلورات شبيهة بالجليد تتكوّن عندما تُحبس جزيئات الغاز، في هذه الحالة ثاني أكسيد الكربون، داخل أقفاص من جزيئات الماء تحت ظروف باردة وضغط مرتفع. عندما تتشكل الهيدرات من ماء مالح، تكون البلورات الناشئة في معظمها مكونة من ماء نقي وتميل إلى ترك الأملاح والمعادن المذابة في السائل المتبقي. بتشكيل هذه البلورات ثم ذوبانها، من الممكن إنتاج ماء أنقى وبركة مركزة أغنى بعناصر قيِّمة مثل الليثيوم. صمم الفريق مفاعلًا مضغوطًا ومحرّكًا لاختبار هذا النهج على مياه منجم حقيقية من موقع كندي.

مساعدون خفيون موجودون بالفعل في الماء

أحد العوائق الرئيسية لاستخدام الهيدرات في المعالجة هو أنها غالبًا تتكون ببطء، مما يجعل العملية غير فعالة. عادةً ما يضيف المهندسون مواد كيميائية أو جسيمات خاصة لتسريع العملية—لكن هذه الإضافات يتعين إزالتها لاحقًا. في هذا العمل، اكتشف المؤلفون أن مياه المنجم نفسها وفّرت التعزيز المطلوب. احتوت طبيعيًا على جسيمات معدنية دقيقة، في الغالب حبيبات سليكات وألومينوسيليكات مثل الكريستوباليت والألبايت، بتركيز نحو 15 ملليغرامًا لكل لتر فقط. أظهرت التحليلات الميكروسكوبية والكيميائية الدقيقة أن هذه الجسيمات تحمل شحنة سطحية سالبة متواضعة وتبقى متشتتة جيدًا. في تجارب أُزيلت فيها بعض هذه الجسيمات بالترشيح، استغرقت بلورات الهيدرات وقتًا أطول بكثير للظهور. وعند ترك كل الجسيمات الأصلية في الماء، تشكلت الهيدرات خلال دقائق، كاشفة أن المعادن تعمل كـ «بذور» مدمجة تساعد البلورات على البدء والنمو دون أي مواد محفزة مضافة.

ضبط الحركة والوقت لأداء أفضل

استكشف الفريق بعد ذلك كيف أثرت سرعة التحريك وزمن التفاعل على كل من تنقية الماء وتركيز الليثيوم. كسر التحريك الأسرع ثاني أكسيد الكربون إلى فقاعات أدق وخلطها بشكل أعمق في الماء. رفع السرعة من 200 إلى 600 دورة في الدقيقة قصر فترة الانتظار لتشكّل الهيدرات من حوالي ثماني دقائق إلى ما يقارب الصفر وزاد الجزء من الماء المحتجز في الهيدرات من 29% إلى 53%. في نفس الوقت، أصبح الليثيوم في البركة المتبقية أكثر تركيزًا بنحو 1.6 مرة مقارنة بمياه المنجم الأصلية. إطالة زمن التفاعل من 30 إلى 60 دقيقة حسّنت أكثر من استعادة الماء وتعزيز الليثيوم. ومع ذلك، بعد ساعة، اختفت المكاسب: أصبحت البلورات متصلبة وأصعب في فصلها عن الملّوحة، وتوازن فوائد التشغيل الأطول مع مشاكل المعالجة العملية.

تراكم المراحل لتعزيز أقوى

لمعرفة مدى ما يمكن أن تصل إليه الطريقة، ربط الباحثون عدة مراحل معالجة متتالية. كل مرحلة أخذت الماء المستخلص من الهيدرات أو البركة المركزة من الخطوة السابقة وعرّضته لنفس ظروف تكوّن الهيدرات مرة أخرى. بعد ثلاث مراحل، ارتفع تركيز الليثيوم في البركة من نحو 180 ملليغرامًا لكل لتر في مياه المنجم المبدئية إلى ما يقارب 500 ملليغرام لكل لتر—وهو مستوى كافٍ ليكون مناسبًا لطرائق الاسترداد الكيميائية القياسية المستخدمة صناعيًا. في الوقت نفسه، أصبح تيار الهيدرات الشبيه بالجليد أنظف تدريجيًا، مع انخفاض إجمالي محتوى الملح في الماء المعالج بنحو 80% مقارنة بالمغذى الأصلي. يشير ذلك إلى أنه مع مزيد من التحسين قد توفر العملية ماءً لإعادة الاستخدام في عمليات التعدين وتنتج تيارًا غنيًا بالليثيوم للاستخلاص.

لماذا يهم هذا للمناجم والبطاريات

بعبارة بسيطة، تُظهر هذه الدراسة أن مياه المناجم—التي تُرى كثيرًا كمشكلة نفايات فقط—يمكن أن تكون أيضًا موردًا منخفض الدرجة لليثيوم إذا عولجت بذكاء. باستخدام ثاني أكسيد الكربون لتشكيل وذوبان بلورات شبيهة بالجليد، تركّز العملية الليثيوم وتُنقّي الماء دون الاعتماد على أغشية مكلفة عُرضة للانسداد أو إضافات كيميائية. يقوم غبار المعادن الموجود طبيعيًا في الماء بمعظم «العمل الحركي» الحرج، إذ يعمل كهياكل دقيقة تساعد البلورات على التكوّن بسرعة. وعلى الرغم من بقاء تحديات للتوسع وتقليل استهلاك الطاقة، تشير الدراسة إلى مستقبل يمكن لمواقع المناجم فيه استرداد معدن ثمين للبطاريات وإعادة تدوير الماء في آن واحد، مساهمةً بذلك في إدارة أكثر استدامة للموارد والمياه.

الاستشهاد: Khajvand, M., Kolliopoulos, G. Lithium enrichment from mine waters using CO₂ hydrate-based desalination. Sci Rep 16, 13871 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43925-7

الكلمات المفتاحية: استرجاع الليثيوم, مياه المناجم, هيدرات الغازات, التحلية, مواد البطاريات