העשרה של ליתיום ממי מכרות באמצעות התפלת מי חמצן-גז מבוססת הידרטרטים של CO2

הפיכת מי שפכים למקור מתכת עבור סוללות

בעוד העולם ממהר לבנות יותר רכבים חשמליים ולאחסן אנרגיה מתחדשת, הביקוש לליתיום — המרכיב המרכזי ברוב הסוללות הניתנות להטענה — עולה במהירות. במקביל, מכרות ברחבי העולם מייצרים כמויות עצומות של מי שפכים מלוחים שעלות הטיפול בהם גבוהה ויכולה לפגוע בנהרות ואגמים סמוכים. המחקר הזה בוחן דרך להתמודד עם שתי הבעיות במקביל: שימוש בתהליך דמוי הקפאה מונע-גז לניקוי מי מכרות תוך ריכוז שאריות הליתיום הקטנות בצורתן הקלה יותר לשחזור.

דרך חדשה לנקות ולרכוז

במקום להסתמך על פילטרים וממברנות מסורתיות, החוקרים פנו לתופעה לא שגרתית: הידרטים של גז. אלה הם גבישים דמויי קרח שנוצרים כאשר מולקולות גז — במקרה זה פחמן דו-חמצני — נלכדות בתוך כלובים עשויים מולקולות מים בתנאי קירור ולחץ גבוה. כאשר הידרטים נוצרים מתוך מים מלוחים, הגבישים המתפתחים מורכבים בעיקר ממים טהורים ונוטים להשאיר מאחור את המלחים והממתכות המומסים בנוזל שיורד. על ידי יצירת הגבישים ולאחר מכן המסתם, ניתן להפיק מים נקיים יותר ומי יסוד (בריין) שנותן ריכוז גבוה יותר של יסודות בעלי ערך כמו ליתיום. הצוות תכנן תגובתור מזורז ומחומם בלחץ כדי לבחון את הגישה הזאת על מי מכרה אמיתיים מאתר בקנדה.

עוזרים נסתרים שכבר נמצאים במים

אחד המכשולים המרכזיים בשימוש בהידרטים לטיפול הוא שהם לעתים נוצרים לאט, מה שהופך את התהליך ליעיל פחות. בדרך כלל מהנדסים מוסיפים כימיקלים או חלקיקים מיוחדים כדי להאיץ את התהליך — אך התוספים הללו יש להסיר לאחר מכן. בעבודה זו גילו המחברים כי מי המכרה עצמם סיפקו את הדחיפה הנחוצה. הם הכילו באופן טבעי חלקיקים מינרליים זעירים, בעיקר גרגירי סיליקט ואלומינוסיליקט כגון קריסטובליט ואלביט, בריכוזים של כ־15 מיליגרם לליטר בלבד. ניתוחים מיקרוסקופיים וכימיים מדוקדקים הראו שלחלקיקים אלה מטען שטח שלילי מתון והם נשארים מפוזרים היטב. בניסויים שבהם חלק מהחלקיקים הללו הוסרו באמצעות סינון, היווה זמן ההיווצרות של ההידרטים הרבה יותר ארוך. כאשר כל החלקיקים המקוריים נותרו במקומם, ההידרטים נוצרו בתוך דקות, והדבר חשף שהמינרלים פועלים כ"זרעים" מובנים המסייעים להתחלה ולגדילה של הגבישים ללא צורך במקדם כימי חיצוני.

התאמת תנועה וזמן לשיפור ביצועים

הצוות חקר אחר כך כיצד מהירות ערבוב וזמן התגובה משפיעים הן על ניקוי המים והן על ריכוז הליתיום. ערבוב מהיר יותר פירק את הפחמן הדו-חמצני לאבעבועות עדינות יותר וערבב אותן בתערובת ביתר полноות. העלאת המהירות מ־200 ל־600 סיבובים בדקה קיצרה את זמן ההמתנה להיווצרות הידרטים מכ־שמונה דקות לכמעט אפס והגדילה את חלק המים שנתפסו בהידרטים מ־29% ל־53%. במקביל, הליתיום בבריין שנותר התרכז בכ־1.6 פעמים מהריכוז במי המכרה המקוריים. הארכת זמן התגובה מ־30 ל־60 דקות שיפרה עוד את ייצור המים ואת העשרת הליתיום. עם זאת, מעבר לשעה התשואות נעלמו: הגבישים התקשו והפכו לקשים יותר להפרדה מן הבריין, והיתרונות של תפעול ארוך יותר הושוו לבעיות מעשיות בטיפול.

ערימה של שלבים להקשחת ההעשרה

כדי לבדוק כמה רחוק השיטה יכולה להגיע, קישרו החוקרים מספר שלבי טיפול ברצף. כל שלב לקח את המים המופקחים מההידרט או את הבריין המרוכז מהשלב הקודם וחשף אותם שוב לתנאי יצירת הידרטים זהים. לאחר שלושה שלבים, ריכוז הליתיום בבריין עלה מכ־180 מיליגרם לליטר במי המכרה ההתחלתיים לכ־500 מיליגרם לליטר — רמה גבוהה דיה כדי להתאים לשיטות שחזור כימיות סטנדרטיות בתעשייה. בו זמנית, הזרם הדמוי־הקרח הפך בהדרגה לנקי יותר, כאשר תכולת המלח הכוללת במים המטופלים ירדה בכ־80% בהשוואה להזנה המקורית. הדבר מצביע על כך שבאמצעות אופטימיזציה נוספת התהליך יכול לספק גם מים לשימוש חוזר בפעילות הכרייה וגם זרם עשיר בליתיום לשחזור.

מדוע זה חשוב למכרות ולסוללות

במילים פשוטות, העבודה הזו מציגה את מי המכרה — שלעתים נחשבים רק כבעיה של פסולת — כמקור ליתיום בדירוג נמוך אם מטפלים בהם בחכמה. באמצעות שימוש בפחמן דו-חמצני ליצירה ולהמסת גבישים דמויי קרח, התהליך מרוכז ליתיום ומנקה את המים מבלי להסתמך על ממברנות יקרות המועדות לסתימות או על תוספים כימיים חיצוניים. האבק המינרלי שנמצא במים עושה הרבה מה"עבודה הקינטית" הכבדה, ומתפקד כסקפולד קטן שמסייע לגבישים להיווצר במהירות. אף על פי שנשארים אתגרים בהגדלה למדידה תעשייתית ובהפחתת צריכת האנרגיה, המחקר מצביע על עתיד שבו אתרי מכרה יוכלו לשחזר מתכת יקרת ערך לסוללות ולמחזר מים בו זמנית, ובכך לתרום לניהול משאבים ומים בר-קיימא יותר.

ציטוט: 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

מילות מפתח: שחזור ליתיום, מי מכרה, הידרטים של גז, התפלה, חומרי סוללה