ثروت «باطله‏‏‏‏‏‌ها» برای جهان

به گزارش می‌متالز، از آنجایی که نگرانی‌ها در مورد استقلال انرژی، تغییرات آب و هوا و سایر مسائل باعث جهش فروش خودرو‌های الکتریکی و هیبریدی شده است، تقاضا برای باتری‌های ساخته‌شده با ترکیبات خاکی کمیاب سریع‌تر از تصورات اولیه افزایش یافته است. از این منظر توجه به توسعه تولید این قبیل مواد موضوعی حیاتی است.

تولید عناصر کمیاب خاکی در طول ۶۰ سال گذشته بخش کمتر دیده شده تولید معدنی در ایران و جهان بوده است. از منظر استقلال دفاعی-امنیتی نیز وابستگی بسیاری از تجهیزات جدید نظامی اعم از موشک‌ها و ادوات جنگی تا تجهیزات دید در شب، تجهیزات نظامی لیزری و... به‌دسترسی کشور‌ها به مواد خاکی کمیاب وابسته است. مرور تاریخچه تولید عناصر خاکی کمیاب حدفاصل سال‌های ۱۹۵۰ تا ۲۰۲۰ نشان می‌دهد از آن زمان تا امروز تقاضا برای این فلزات از صفر به حدود ۲۵۰ هزار تن در سال رسیده است. گزارش‌های رسمی در این‌باره به وضوح نشان می‌دهد ورود ایالات‌متحده به بازار در اواسط دهه ۱۹۶۰ همزمان با انفجار تقاضا برای تلویزیون رنگی بوده است. این تقاضا هنگامی که چین در اواخر دهه ۱۹۸۰ و اوایل دهه ۱۹۹۰ شروع به فروش خاک‌های کمیاب با قیمت‌های بسیار پایین کرد، باعث شد معادن ایالات‌متحده تعطیل شوند؛ زیرا دیگر نمی‌توانستند سودی داشته باشند. ارزان فروشی چین، اما حد و دوره زمانی مشخصی داشت. هنگامی که چین در سال‌۲۰۱۰ صادرات خود را کاهش داد، قیمت‌های خاک‌های کمیاب به‌شدت افزایش یافت. این موضوع انگیزه‌ای برای تولید و سرمایه‌گذاری‌های جدید در ایالات‌متحده، استرالیا، روسیه، تایلند، مالزی، برمه و برخی دیگر از کشور‌ها داده و اقتصاد قابل‌تاملی را حول محور این فلزات و خاک‌ها ایجاد کرده است. البته فعلا تا ۹۰‌درصد این بازار متعلق به چین است و استرالیا و آمریکا نیز سهم اندکی از این بخش دارند. سه‌برابر شدن سهم چین از سال‌۱۹۹۳ تا سال‌۲۰۲۰ گویای اثر بالای توسعه تولید این قبیل مواد بر توسعه اقتصادی در چین و تحول بخش معدن است.

حالا مصرف سالانه ۵/ ۱ میلیارد تن سنگ و باطله از فرآیند معدن‌کاری در ایران، پرسش‌های بسیاری پیرامون بهره وری تولید معدنی در ایران ایجاد کرده است. آیا ایران با استحصال باطله‌ها می‌تواند بخشی از بازار فلزات کمیاب و خاک‌های ارزشمند را به خود اختصاص دهد؟ از آنجا که طبق برآورد‌ها بیش از دوسوم استخراج مواد معدنی در ایران به باطله و سنگ‌هایی که از فرآیند فرآوری خارج می‌شوند مربوط است، نحوه بازگرداندن باطله‌ها به فرآیند تولید، به مثابه راه دوم پیشروی بخش معدن ایران برای افزایش ارزش‌افزوده است. بررسی «دنیای‌اقتصاد» نشان می‌دهد باطله‌ها به‌عنوان معدن غنی فلزات کمیاب و مواد ارزشمند در صورت وجود یک استراتژی درست می‌توانند منبع لایزال تولید ثروت باشند. موضوعی که پیش از این بار‌ها بحث آن در محافل معدنی مطرح‌شده و افرادی نظیر ابراهیم جمیلی، فعال صنایع معدنی به ضرورت رسیدگی به چنین مهمی اشاره کرده‌بودند. شواهد موجود نشان می‌دهد رویکرد فرآوری باطله‌ها و استحصال مواد کمیاب از این جریان حاشیه‌ای تولید معدنی می‌تواند دست‌کم ۱۰ درصد به میزان ارزش‌افزوده معدنی کشور که هرساله ایجاد می‌شود، بیفزاید. تجربیات خارجی نیز گویای اهمیت توجه به رویکرد‌های جدید در باطله برداری است. در استرالیا، چین، بخش‌هایی از اروپا و نیز آمریکای‌شمالی طیف متنوعی از شرکت‌ها و صنایع وجود دارند که از محل استحصال مواد کمیاب و گران قیمت موجود در باطله‌ها درآمد مناسبی از بخش معدن را عاید خود کرده اند. بررسی «دنیای‌اقتصاد» نشان می‌دهد طبق سالنامه آماری معادن در حال بهره برداری کشور سال‌۱۳۹۹، تولید مواد معدنی حدود ۴۴۰میلیون تن است.

براساس محاسبات، برآورد تناژ باطله برداری و استخراج کشور سال‌۱۳۹۹ حدود ۴/ ۱میلیارد تن بوده که در افق تولید ۱۴۰۴ به این میزان حدود ۷۵۰میلیون تن مواد معدنی افزوده شده و حجم کلی استخراج و باطله برداری به ورای ۳/ ۲ میلیارد تن در سال‌می‌رسد که عدد قابل‌توجهی است. در سال‌۱۳۹۹ از کل باطله برداری و استخراج کشور، حدود ۷۰۰میلیون تن (معادل ۲۵۰میلیون مترمکعب) مربوط به معادن بزرگ مس و سنگ آهن کشور است که ضرورت توجه به ابداع رویکرد‌های مکمل برای استفاده از ثروت نهفته در باطله‌های معدنی را یادآور می‌شود. در عین حال تاسیس دفتر تولید و فرآوری مواد کمیاب در معاونت معدن و صنایع معدنی وزارت صنعت، معدن و تجارت می‌تواند راهی تازه را برای ایران جهت فرآوری باطله‌ها در راستای دسترسی به عناصر کمیاب بازکند؛ راهی که علاوه‌بر توسعه ارزش‌افزوده در صنایع معدنی، مسیر تحول صنایع داخلی را ایجاد می‌کند.

باطله برداری؛ از دپو و انباشت تا استحصال

برخی از تحلیلگران و مدیران باسابقه بخش معدن تاکید دارند ایران با پیوستن به رویکرد معدن‌کاری دیجیتال و هوشمند می‌تواند به سمت کاهش ایجاد باطله تا حدود ۱۰‌درصد حرکت کند. مسیر تقویت بهره وری در بخش معدن نیز رویکرد کلانی است که روی کاهش باطله برداری متمرکز است. با این‌حال رویکرد جانشین در تجزیه و تحلیل باطله برداری در بخش معدن، کسب ثروت از باطله هاست که در ابتدای متن نیز به آن اشاره شد. انواعی از فلزات حیاتی، آلیاژها، سیلیکات‌ها و مواد کمیاب که عمده آن‌ها از مسیر واردات برای مصرف کنندگان کشور تامین می‌شود، از مجرای فرآوری باطله‌های معدنی قابل‌استحصال است. البته تکنولوژی‌های جدید کمک کرده تا سنگ‌های با عیار پایین که به آن‌ها در اصطلاح باطله‌های معدنی گفته می‌شود با فرآیند‌هایی مورد‌استفاده قرار گرفته و در جریان فرآوری سنگ‌آهن و سایر فلزات میزان خروجی را بهبود بخشند؛ این یک بخش کار است. از آنجا که چالش‌های مرتبط با ذخیره سازی باطله‌ها و نیز خروج آن‌ها از محدوده معدنی روزبه‌روز در حال افزایش است، تمرکز روی استحصال آن‌ها یک اصل حیاتی است. پیشرفت‌های فناوری امکان بهره برداری از سنگ‌های معدنی با عیار پایین‌تر را فراهم می‌کند که این موضوع حجم بیشتری از زباله را تولید می‌کند که نیاز به ذخیره سازی ایمن دارد. مقررات زیست‌محیطی نیز در حال پیشرفت است و هر روز الزامات سخت گیرانه تری برای بخش معدن، به‌ویژه در مورد شیوه‌های ذخیره سازی باطله، وضع می‌شود. موضوعی که در نهایت فشار مضاعفی را بر اپراتور‌های معدنی وارد کرده که وظایف روزانه تخلیه باطله و مدیریت آب را انجام می‌دهند و امکان خطا، کاهش ایمنی و افت بهره وری را بالا می‌برد. در عین حال اکثر حوادث مربوط به باطله‌های تاریخی تحت‌تاثیر مدیریت ضعیف روزانه قرار گرفته اند که منجر به تقویت مقررات کنترل ذخیره سازی باطله امروزی شده است.

بدیهی است که باطله یک محصول ضایعاتی است که هیچ سود مالی برای اپراتور معدنی در آن مقطع زمانی خاص ندارد و فرآیند‌های ثانویه است که از آن تولید ثروت می‌کند. بر این مبنا جای تعجب نیست که معمولا مقرون‌به صرفه‌ترین روش ممکن برای رعایت مقررات و عوامل خاص سایت، دپو باطله باشد. سدها، خاکریز‌ها و دیگر انواع آب بند‌های سطحی رایج‌ترین روش‌های دپو هستند که امروزه مورد‌استفاده قرار می‌گیرند و در برنامه ریزی دفع باطله از اهمیت اولیه برخوردار هستند. طراحی خاص فرآیند تولید و ایجاد سازه‌های فنی برای ساخت محیط استحصال و فرآوری مواد معدنی از باطله‌ها عملیات ثانویه‌ای است که محتاج سرمایه‌گذاری است. به‌طور کلی می‌توان از طریق برخی عملیات ها، ساختار طبیعی و شیمیایی باطله‌ها را دستکاری کرد و عناصری را از دل این ذخایر بیرون کشید. فرآیند بهره برداری از کانسار‌های معدنی و دفع متعاقب آن به تاسیسات مهار سطحی، عناصر را در معرض هوازدگی سریع قرار می‌دهد و در نتیجه می‌تواند نرخ تحرک آن‌ها را افزایش دهد. افزودن معرف‌های مورد‌استفاده در فرآوری مواد معدنی نیز ممکن است ویژگی‌های شیمیایی مواد معدنی فرآوری شده و در نتیجه خواص باطله و سنگ‌های باطله را تغییر دهد.

فرآوری سنگ‌های سخت سولفیدی تنها نمونه‌ای از هوازدگی سریع است. در این حالت، مواد معدنی سولفیدی به‌راحتی در تاسیسات باطله اکسید می‌شوند که نتیجه آن کاهش اندازه ناشی از آسیاب افزایش سطح و قرارگرفتن باطله در معرض هوا و آب است. همچنین در این فرآیند تولید اسید و تجمیع فلز رخ می‌دهد که می‌تواند از طریق روان‌آب یا نشت به محیط اطراف راه پیدا کند. این پدیده یک مشکل شناخته شده است که صنعت معدن را تحت‌تاثیر قرار می‌دهد و معمولا به‌عنوان زهکشی معدن اسیدی (AMD) یا زهکشی سنگ اسیدی (ARD) شناخته می‌شود. بسته به پروژه معدن، تکنیک‌های جایگزین ذخیره باطله مانند دفع زیرآبی (زیر رسوب آب)، باطله ضخیم شده با چگالی بالا یا انباشته‌شدن خشک می‌تواند برای کنترل اکسیداسیون سولفید‌ها و تجمیع فلزات اجرا شود.

جهان با باطله‌ها چه می‌کند؟

دفع باطله‌ها معمولا به‌عنوان مهم‌ترین منبع اثرات زیست‌محیطی برای بسیاری از عملیات معدنی شناخته می‌شود. وقتی در نظر بگیریم که حجم باطله‌هایی که به ذخیره سازی نیاز دارند، اغلب می‌تواند از حجم کل سنگ معدنی که در محل، استخراج و فرآوری می‌شود، بیشتر شود، جای تعجب نیست. در طول قرن گذشته، حجم باطله‌های تولیدشده به دلیل افزایش تقاضا برای مواد معدنی و فلزات و استخراج عیار‌های پایین‌تر از سنگ معدن از طریق پیشرفت در فناوری استخراج و فرآوری، رشد چشمگیری داشته است. در دهه ۱۹۶۰ روزانه ۱۰‌هزار تن باطله تولید می‌شد و تا سال‌۲۰۰۰ این رقم به ۱۰۰‌هزار تن افزایش یافت. امروزه معادن جداگانه‌ای وجود دارد که بیش از ۲۰۰ هزار تن باطله در روز تولید می‌کند و با به کارگیری تکنیک‌های فرآوری مواد معدنی ثروت هنگفتی را از این مسیر کسب کرده اند.

جریان سنگ معدن با روش‌های خردکردن و آسیاب به‌طور فیزیکی کاهش می‌یابد. سطح بهینه آسیاب باطله با روش‌های خاصی تعیین می‌شود. یک بررسی ساده کانی شناسی می‌تواند کلید شناسایی سودمندترین روش‌های استحصال مواد از باطله‌ها باشد. آزمایشی که می‌تواند سایر مواد معدنی که از نظر اقتصادی، نوع و مقادیر عیار برای تولیدکننده جالب هستند را با موردنیاز برای جداسازی کنسانتره از مواد باطله و روش‌های ذخیره سازی لازم برای باطله‌ها تعیین کند.

آزمایش‌های اولیه کارخانه‌ای همچنین می‌تواند برای تعیین اندازه بهینه ذرات، معرف‌های پردازش موردنیاز و ویژگی‌های باطله نهایی مفید باشد، با این حال چنین آزمایش‌هایی ممکن است نماینده دقیق باطله‌هایی که از کارخانه در مقیاس کامل تولید می‌شوند، نباشد. این بدان معنی است که طراحی نهایی هر تاسیسات باطله‌ای همیشه موقتی است و باید پس از شروع تولید باطله تایید شود. تغلیظ فرآیند استخراج محصول اقتصادی از سنگ معدن خرد شده و آسیاب شده است که ضایعات حاصل از این فرآیند باطله است. فلوتاسیون کف (شناورسازی کف)، پرکاربردترین روش غلظت است و معمولا اولین مرحله در توالی فرآوری مواد معدنی است که در آن معرف‌های شیمیایی معرفی می‌شوند. تکنیک‌های گرانشی و جداسازی مغناطیسی نیز برای به‌دست آوردن محصول اقتصادی از سنگ معدن استفاده می‌شود. جداسازی گرانشی در فرآوری طلا برای بازیابی ذرات درشت‌تر استفاده می‌شود، ضمن اینکه ذرات ریزتر از طریق لیچینگ بازیابی می‌شود. سنگ‌های نسوز معمولا با استفاده از اکسیداسیون تحت فشار، بیولیچینگ و برشته‌کردن قبل از تکنیک‌های لیچینگ پردازش می‌شوند. این نوع پیش پردازش اغلب با آسیاب بسیار ریز همراه است که باطله‌هایی با ته‌نشینی آهسته و خواص چگالی درجا پایین ایجاد می‌کند.

مسیر تازه معدن‌کاری

خاک‌های ارزشمند که خریداران بسیاری در جهان دارد، مواد کمیابی را در خود پنهان دارند. این خاک‌ها که بعضا از محل استحصال و پودرکردن سنگ‌های باطله معدنی به‌دست می‌آیند، در بسیاری از مناطق جهان منبع درآمد قابل‌توجهی برای برخی واحد‌های معدنی است.

عناصر خاکی کمیاب گروهی متشکل از هفده عنصر شیمیایی هستند که با هم در جدول تناوبی وجود دارند. این گروه شامل ایتریوم و ۱۵ عنصر لانتانید (لانتانیم، سریم، پرازئودیمیم، نئودیمیم، پرومتیم، ساماریم، یوروپیوم، گادولینیم، تربیوم، دیسپروزیم، هولمیوم، اربیوم، تولیم، ایتربیوم و لوتسیم) است. اسکاندیم در اکثر ذخایر عناصر کمیاب خاکی یافت می‌شود و گاهی اوقات به‌عنوان عنصر خاکی کمیاب طبقه‌بندی می‌شود.

عناصر خاکی کمیاب همه فلزات هستند و از این گروه اغلب به‌عنوان «فلزات خاکی کمیاب» یاد می‌شود. این فلزات خواص مشابه زیادی دارند و این اغلب باعث می‌شود که آن‌ها با هم در لایه‌های زمین شناسی پیدا شوند. آن‌ها همچنین به‌عنوان «اکسید‌های خاکی کمیاب» شناخته می‌شوند، زیرا بسیاری از آن‌ها معمولا به‌عنوان ترکیبات اکسیدی فروخته می‌شوند. فلزات و آلیاژ‌های خاکی کمیاب که حاوی این مواد هستند در بسیاری از وسایلی که مردم هر روز از آن‌ها استفاده می‌کنند از حافظه کامپیوتر و دی وی دی تا باتری‌های قابل‌شارژ، تلفن‌های همراه، مبدل‌های کاتالیزوری، آهن‌رباها، نور‌های فلورسنت و موارد دیگر مصرف می‌شود.

در طول بیست سال گذشته، تقاضا برای بسیاری از اقلامی که به فلزات خاکی کمیاب نیاز دارند، افزایش یافته است. بیست سال پیش تعداد کمی از مردم تلفن‌همراه داشتند، اما امروزه بیش از ۵‌میلیارد نفر صاحب یک دستگاه تلفن‌همراه هستند. از طرفی استفاده از عناصر خاکی کمیاب در رایانه‌ها تقریبا به‌سرعت تلفن‌های همراه رشد کرده است. بسیاری از باتری‌های قابل‌شارژ با ترکیبات خاکی کمیاب ساخته می‌شوند. تقاضا برای باتری‌ها به دلیل تقاضا برای دستگاه‌های الکترونیکی قابل‌حمل مانند تلفن‌های همراه، کتاب خوان ها، رایانه‌های قابل‌حمل و دوربین‌ها است. آشنایی دقیق با بازار تکنولوژی گویای استفاده از چندین کیلو ترکیبات خاکی کمیاب در باتری‌هایی است که انرژی هر خودروی الکتریکی و خودروی هیبریدی- الکتریکی را تامین می‌کنند.

در بخش تحول انرژی که جهان در پی گذار به عصر انقلاب دیجیتال و صنعت سبز است، مواد کمیاب اهمیت بالایی دارد. برای نمونه استفاده از آهن‌ربا‌های خاکی در توربین‌های بادی پدیده‌ای معمول است. ساخت این آهن‌ربا‌ها به انواعی از خاک‌های کمیاب وابسته است. برخی از توربین‌های بزرگ بادی به دو تن خاک کمیاب که ماده‌سازنده آهن‌ربای خاکی است، نیاز دارند. این آهن‌ربا‌ها بسیار قوی هستند و توربین‌ها را بسیار کارآمدتر می‌کنند. همچنین ماده‌ای مثل اسکاندیم در نیمه‌هادی‌ها و نورپردازی‌های تخصصی استفاده بسیاری دارد و به تولید ادوات ورزشی به‌ویژه در ورزش بیسبال کمک شایان‌توجهی می‌کند.

از آن‌سو عناصر خاکی کمیاب نقش اساسی در تحول قدرت نظامی دارند. ارتش از عینک دیددرشب، سلاح‌های هدایت‌شونده دقیق، تجهیزات ارتباطی، تجهیزات GPS، باتری‌ها و سایر وسایل الکترونیکی دفاعی استفاده می‌کند. ارتش ایالات‌متحده از ناحیه دسترسی به این قبیل خاک‌ها و مواد معدنی مزیت بزرگی طی سالیان اخیر کسب کرده است. فلزات خاکی کمیاب اجزای کلیدی برای ساخت آلیاژ‌های بسیار سخت مورد‌استفاده در خودرو‌های زرهی و نیز پرتابه‌های انفجاری است. نکته جالب درباره عناصر خاکی کمیاب این است که این عناصر «نادر» نیستند. مثلا تولیم و لوتتیوم دو عنصر کمیاب خاکی هستند که کمترین فراوانی را دارند -، اما هر کدام دارای میانگین فراوانی پوسته هستند که تقریبا ۲۰۰ برابر بیشتر از فراوانی پوسته طلا است. مساله اصلی استخراج بسیار دشوار این فلزات است، زیرا یافتن آن‌ها در غلظت کافی برای استخراج اقتصادی غیرعادی است. فراوان‌ترین عناصر خاکی کمیاب عبارتند از: سریم، ایتریم، لانتانیم و نئودیمیم. در عین حال فلزاتی که دارای فراوانی پوسته متوسطی هستند و مشابه فلزات صنعتی رایج مانند کروم، نیکل، روی، مولیبدن، قلع، تنگستن و سرب دسته‌بندی می‌شوند بازهم، به‌ندرت در غلظت‌های قابل‌استخراج یافت می‌شوند.

نکته: یک مطالعه تازه در سال‌۲۰۲۲ در ژورنال مشهور eng وابسته به گروه MDPI بهترین راه‌ها برای استحصال فلزات کمیاب و مواد ارزشمند از باطله‌ها را نشان می‌دهد. مروری بر مطالعات مختلف بر روی بهره برداری از باطله‌های با عیار پایین، تفاوت‌های مشخصی در روش‌های استحصال از کلوخه‌های باطله را نشان می‌دهد. در مطالعه اسکینر، بلانکسون، اهریگ و منشاح، بهره برداری از باطله‌ها با روش‌های جداسازی گرانشی، مغناطیسی مرطوب و شناورسازی کف، بازیابی‌ها و ارتقای REE نتایجی دارد که به طور قابل توجهی متفاوت از سایر روش‌هاست. از نظر استحصال، بهترین نتیجه طی فرآیند شناورسازی چند مرحله‌ای کسب شده است.

منبع: دنیای اقتصاد