DLE چگونه فاضلاب میادین نفتی را به منبع ارزشمند لیتیوم تبدیل می‌کند؟

به گزارش می‌متالز به نقل از ماینینگ‌ تکنولوژی، پیش‌بینی می‌شود تقاضا برای لیتیوم تا سال ۲۰۳۵ چهار برابر افزایش یابد، اما ایجاد پروژه‌های جدید برای استخراج سنتی لیتیوم کُند و نیازمند سرمایه است. این صنعت نمی‌تواند به اندازه کافی سریع رشد کند و شکاف روزافزون، تقاضا برای روش‌های نوآورانه استخراج را به چشم می‌آورد.

اینجاست که منابع غیرمتعارف وارد می‌شوند: آب دریا، شورابه‌های زمین‌گرمایی و فاضلاب میادین نفتی حاوی مقادیر مختلف، اما نه چندان ناچیزی از لیتیوم هستند، تقریباً یک قرن است که از حوضچه‌های تبخیر برای استخراج لیتیوم از شورابه‌ها استفاده می‌شود، اما این فرآیند کند است و معمولاً ۱۲ تا ۱۸ ماه طول می‌کشد با این حال افزایش تقاضای لیتیوم به این معنی است که رقابت برای تامین ذخایر آغاز شده است.

فناوری‌های استخراج مستقیم لیتیوم (DLE) لیتیوم را در عرض چند ساعت یا چند روز از آب نمک‌ها جدا می‌کنند و زمان‌بندی سریع‌تری را برای تولید ارائه می‌دهند و برای برخی از اپراتور‌ها یک جریان درآمد جدید ایجاد می‌کنند. در مورد شرکت‌های بزرگ نفت و گاز مانند شورون (Chevron)، اکوئینور (Equinor) و اس‌ال‌بی (SLB) استخراج مستقیم لیتیوم فرصتی برای کسب درآمد از جریان‌های فاضلاب است.

برخی تخمین‌ها نشان می‌دهد فاضلاب تولیدشده از عملیات شیل مارسلوس پنسیلوانیا به تنهایی می‌تواند از نظر تئوری ۳۸ تا ۴۰ درصد از تقاضای لیتیوم ایالات متحده را تامین کند. اگرچه این فرض، بازده ۱۰۰درصدی غیرواقعی را در نظر می‌گیرد، اما مقیاس این فرصت قابل‌توجه است.

«پاو جول» مدیر ارشد عملیاتی لیتیوم هاروِست، به ماینینگ تکنولوژی می‌گوید: در اصل هیچ محدودیتی برای این فرصت وجود ندارد. با این حال، یک نکته‌ی مهم وجود دارد: هزینه‌های قابل توجهی دارد.

فناوری‌های DLE

دو روش اصلی DLE برای آب‌نمک‌های حاوی لیتیوم وجود دارد: استخراج با حلال و جذب یا تبادل یون. اولی انتقال مایع به مایع است که در آن آب نمک روی یک حلال آلی مخصوص و استخراج‌کننده جریان می‌یابد؛ دومی انتقال مایع به جامد است که در آن یون‌های لیتیوم به سطح جاذب‌های انتخابی لیتیوم متصل می‌شوند.

استخراج با حلال

«حسن نیکخواه» دستیار پژوهشی در دانشگاه کُنتیکت، استخراج با حلال را این‌گونه توضیح می‌دهد: آب نمک با حلال آلی برخورد می‌کند و لیتیوم از آب نمک به آن منتقل می‌شود. سپس ما حلال آلی را جدا کرده و لیتیوم را از آن استخراج می‌کنیم.

حلال آلی حاوی استخراج‌کننده منتخبی است که با لیتیوم روی سایر مواد حل‌شده در آب نمک واکنش می‌دهد. هنگامی که لیتیوم به فاز آلی منتقل می‌شود، محصول برای بهبود خلوص «پاک‌سازی» (تصفیه) و جدا می‌شود. فاز آلی می‌تواند بازسازی و بازیافت شود.

جذب/تبادل یونی

نیکخواه در مورد جذب توضیح می‌دهد: در جذب، ما از مواد جامد برای جذب لیتیوم از آب نمک استفاده می‌کنیم و پس از جذب آن لیتیوم، ماده (حلال برای استخراج آن لیتیوم) را بازسازی می‌کنیم.

در فرآیند DLE، آب نمک روی مواد جامد جریان می‌یابد، این مواد جامد معمولاً رزین یا مواد مبتنی بر آلومینیوم یا منیزیم با مکان‌های فعال هستند که لیتیوم روی آنها واکنش داده و جذب می‌شود.

هنگامی که مواد به ظرفیت خود نزدیک می‌شوند، فرآیند به مرحله دفع (desorption) منتقل می‌شود: مواد از طریق آب شیرین یا یک محلول شیمیایی یا اسیدی عبور داده می‌شوند، جایی که لیتیوم احیا شده و در محلول غلیظ‌تری آزاد می‌شود که برای پالایش بیشتر بازیابی می‌شود.

نیکخواه خاطرنشان می‌کند که این فرآیند در اصل برای تبادل یونی یکسان است - آن‌ها مفاهیم طراحی و چرخه‌های عملیاتی مشترکی دارند، اما یون‌ها به جای انتقال، مبادله می‌شوند. در حالی که در جذب، انتقال به این صورت رخ می‌دهد که نیرو‌های فیزیکی ضعیف، مولکول‌های بدون بار یا باردار را به سطح می‌چسبانند؛ در تبادل یونی، یک واکنش شیمیایی رخ می‌دهد و یون‌ها برای حفظ تعادل بار الکتریکی، مبادله می‌شوند.

یک حوزه در حال توسعه: فناوری غشایی

یک حوزه در حال توسعه، اما قطعاً نوپا برای DLE، فناوری غشایی است که به عنوان یک فیلتر انتخابی برای تغلیظ یون‌های لیتیوم از آب‌های شور عمل می‌کند. دو دسته اصلی از فرآیند‌های غشایی وجود دارد: غشا‌های با کمک فشار بالا و فرآیند‌های غشایی با کمک پتانسیل.

مورد اول شامل میکروفیلتراسیون، اولترافیلتراسیون، نانوفیلتراسیون و اسمز معکوس است (که همگی در برخی از مراحل فرآیند‌های جذب سطحی وجود دارند)، در حالی که مورد دوم شامل الکترودیالیز، دیونیزاسیون دوقطبی و خازنی می‌شود.

دکتر «بورکو بیکال» استادیار مهندسی شیمی و زیست‌مولکولی در دانشگاه کنتیکت، اظهار می‌کند که فناوری غشا می‌تواند از نظر مقرون‌به‌صرفه بودن تفاوت زیادی ایجاد کند، اگرچه او اضافه می‌کند که این فناوری هنوز کاملاً به آنجا نرسیده است.

هزینه‌ها، ضایعات و پروفایل‌های زیست‌محیطی: مزایا و معایب نسبی روش‌های DLE

استخراج حلال و جذب یا تبادل یونی در حال حاضر دو فرآیند اصلی مورد استفاده برای DLE هستند، در حالی که فناوری‌های غشایی به عنوان یک فرآیند سوم بالقوه در حال ظهور هستند. با این حال، نیکخواه خاطرنشان می‌کند که روش‌های الکتروشیمیایی و رسوب شیمیایی نیز وجود دارند که می‌توانند مورد استفاده قرار گیرند. الکترولیز یکی از حوزه‌های مورد علاقه خاص است، زیرا نیاز به معرف‌های شیمیایی را به شدت کاهش می‌دهد. با این حال، تحقیقات در مقیاس آزمایشگاهی باقی مانده است.

در تلاش‌های کنونی برای تجاری‌سازی از جذب یون استفاده می‌شود، این فرآیند در نخستین کارخانه استخراج لیتیوم ایالات متحده صورت می‌گیرد که در ماه فوریه افتتاح شد و توسط مجموعه اِلِمِنت ۳ (Element۳) در حوضه پرمین آمریکا اداره می‌شود. کارخانه دوم که توسط گرِی‌دی‌اِنت (Gradient) اداره می‌شود، اواخر امسال در مارسلوس شیل افتتاح خواهد شد و آن هم از جذب یون استفاده خواهد کرد.

نکته قابل توجه در هر دو مورد، استفاده از زیرساخت‌های موجود نفت و گاز برای تبدیل زباله‌های صنعتی به یک منبع با ارزش بالا است. تنوع‌بخشی به سبد سرمایه‌گذاری، سود بیشتری را به همراه دارد، در حالی که پتانسیل فرآوری در محل، هزینه‌های حمل‌ونقل و سایر هزینه‌های عملیاتی را پایین نگه می‌دارد.

جول توضیح می‌دهد که لیتیوم هاروِست نیز فقط از جذب یونی استفاده می‌کند و به کاستی‌های زیست‌محیطی جایگزین‌ها اشاره می‌کند. او می‌گوید: فناوری‌های ما باید تا حد امکان پایدار باشند. استخراج با حلال، تبادل یونی و الکترولیز همگی از مقدار زیادی مواد شیمیایی و انرژی استفاده می‌کنند.

مصرف بالای مواد شیمیایی و انرژی، هزینه‌های عملیاتی را افزایش می‌دهد و پیامد‌های اقتصادی‌ای را به همراه دارد که معمولاً جذب یونی را به عنوان توجیه‌پذیرترین فناوری DLE از نظر تجاری تعریف می‌کند، اگرچه استخراج با حلال می‌تواند برای جریان‌های بسیار غلیظ مقرون‌به‌صرفه‌تر باشد.

در جذب یونی همچنین از آب شیرین برای دفع استفاده می‌شود که نیاز به اسید‌های قوی را به حداقل می‌رساند و باعث کاهش هزینه و پیامد زیست‌محیطی می‌شود.

با این حال، این بدان معنا نیست که سایر تکنیک‌ها فاقد شایستگی هستند. تبادل یونی فرصت‌های بیشتری را با استخراج لیتیوم از آب نمک‌های رقیق‌تر یا با درجه پایین‌تر نسبت به جذب ارائه می‌دهد.

اگرچه استفاده از روش حذف شیمیایی سوالاتی را در مورد هزینه‌های عملیاتی و پیامد‌های زیست‌محیطی ایجاد می‌کند، اما این بدان معناست که تبادل یونی نسبت به جذب سطحی، محلول‌های لیتیوم با غلظت بالاتری را مستقیماً تولید می‌کند.

در همین حال، استخراج با حلال، مزیت تمایز موثر بین یون‌های با اندازه مشابه مانند لیتیوم و سدیم را ارائه می‌دهد و مبتنی بر فرآیند‌های تثبیت‌شده‌ای است که پیش از این توسط معدنکاران به‌ ویژه برای مس و اورانیوم، استفاده می‌شد.

اگر فناوری غشایی به مقیاس تجاری برسد، می‌تواند نویدبخش‌ترین فناوری باشد: این فناوری پتانسیل کاهش قابل‌توجه مصرف آب، کاهش ردپای زمین (land footprint) و استفاده از مواد شیمیایی و همچنین تولید سطح بالایی از خلوص در حد باتری را دارد.

فرصت نفت و گاز

استفاده از آب تولیدشده به عنوان خوراک، درآمد ثانویه‌ای را برای اپراتور‌های نفت و گاز فراهم می‌کند و دو مزیت عمده دارد: تنوع‌بخشی به سبد سرمایه‌گذاری و ادغام در عملیات جاری.

این فرصت پتانسیل مقیاس‌پذیری بالایی نیز دارد - آب تولیدی بزرگ‌ترین جریان زباله مرتبط با عملیات نفت و گاز است و فاضلاب حاصل از عملیات در حوزه پرمین به تنهایی به ۲۲ میلیون بشکه در روز می‌رسد.

بنابراین، فرصت لیتیوم نه به دلیل خود منبع آب نمک، بلکه به دلیل استقرار DLE جدید است. جاستین مکی، نائب‌رئیس آرای‌ای‌جِن (REEgen) که قبلاً محقق آزمایشگاه ملی فناوری انرژی بود، توضیح می‌دهد: حجم زیاد مایعات و محدودیت‌های فضا در عملیات نفت و گاز داخلی، کار در حوضچه‌های تبخیر را غیرممکن می‌کند. اکنون، فناوری‌های DLE در تلاشند تا این عملیات را به واحد‌های مدولار کوچک‌مقیاس ببرند.

اپراتور‌ها اقدامات اولیه را آغاز کرده‌اند و گزارشی از «امیر رزمجو» دانشیار دانشگاه ادیت کوان، اشاره می‌کند که به نظر می‌رسد موج بعدی سرمایه‌گذاری‌ها عمدتاً از صنعت نفت و گاز، از جمله شرکت‌هایی مانند اکسون موبیل (ExxonMobil)، کوچ‌اینداستریز (Koch Industries)، اُکسیدنتال پترولیوم (Occidental Petroleum)، اس‌ال‌بی (SLB) که قبلاً شلومبرگر (Schlumberger) بود و شورون کورپ (Chevron Corp)، خواهد بود.

شرکت اُکسیدنتال پترولیوم و یکی از واحد‌های شرکت برکشایر هاتاوی (Berkshire Hathaway) در ژوئن ۲۰۲۴ یک سرمایه‌گذاری مشترک برای تولید لیتیوم با عیار باتری از آب نمک ۱۰ نیروگاه زمین‌گرمایی در کالیفرنیا انجام دادند.

در همین حال، شرکت اکوئینور (Equinor) ۴۵درصد سهام دو پروژه DLE شرکت استاندارد لیتیوم (Standard Lithium) واقع در سازند اسمک‌اوور (Smackover) را در اختیار دارد و شرکت شورون نیز در پروژه‌های DLE در همان منطقه فعال است و در سال ۲۰۲۵ دو زمین اجاره‌ای در شمال شرقی تگزاس و جنوب غربی آرکانزاس خریداری کرده است.

با این حال، برای رسیدن به مقیاس بزرگ، تنگنا‌های هزینه‌ای وجود دارد. بیکال اذعان می‌کند که آب تولید شده عالی است […]اپراتور‌ها می‌توانند جریان‌های درآمدی خود را متنوع کنند و آنها در حال حاضر مجبور به تصفیه آب تولید شده هستند اما او هشدار می‌دهد که شما باید هزینه‌های عملیاتی و شرایط دفع ناشی از آن را در نظر بگیرید.

انتقال مقادیر زیادی آب تولیدشده از سایت‌های نفت و گاز به تصفیه‌خانه‌ها یکی از فشار‌های مالی قابل‌توجه است. در حالی که DLE در مقیاس تجاری نوپا است، زیرساخت‌های لازم برای انتقال آب نمک غنی از لیتیوم از سایت به کارخانه وجود ندارد. این بدان معنی است که آب نمک اغلب در کامیون‌ها حمل می‌شود که هزینه چشم‌گیری دارد.

جول به عنوان مثال به اسمک‌اوور - سفره آبی که از دیرباز غنی از نفت، گاز و برم شناخته می‌شود - اشاره می‌کند که اکنون یکی از امیدوارکننده‌ترین منابع نمک لیتیوم با عیار بالا در آمریکای شمالی است.

او می‌گوید: شما نمی‌توانید این مقدار را از یک مکان پمپاژ کنید، بنابراین به خطوط لوله زیرساختی زیادی نیاز دارید. این یک کابوس است و بسیار پرهزینه است.

مکی با در نظر گرفتن ایالات متحده به طور خاص، موافق است: محیط نظارتی برای ایجاد شبکه حمل‌و‌نقل مورد نیاز محدود است، بنابراین اپراتور‌ها فقط [آب تولیدشده] را با کامیون حمل می‌کنند و بنابراین حمل‌و‌نقل احتمالاً هزینه‌سازترین عامل است.

بیکال همچنین به ملاحظات مالی پیرامون DLE اشاره می‌کند و خاطرنشان می‌کند که ملاحظات زیست‌محیطی نیز در ترازنامه‌ها منعکس می‌شوند. حلال‌های آلی مورد استفاده در استخراج با حلال برای محیط زیست مضر هستند؛ حتی روش جذب سطحی که نسبتاً پاک‌تر است، ردپای آب (water footprint) عظیمی دارد.

او می‌گوید: هزینه‌ها همیشه نیروی محرکه اصلی خواهند بود، اما اگر در منطقه‌ای فعالیت می‌کنید که دارای مقررات زیست‌محیطی سختی است، تصفیه زباله می‌توانند واقعا هزینه‌ساز باشند.

چگونه معدنکاران برای سرمایه‌گذاری آماده می‌شوند

نفت و گاز تنها صنعتی نیست که می‌تواند از این فرصت به خوبی استفاده کند، بلکه معدنکاران که برخی از آنها مدت‌هاست از طریق حوضچه‌های تبخیر، لیتیوم تولید می‌کنند نیز در موقعیت خوبی قرار دارند.

بخش عمده‌ای از فعالیت‌های شرکت‌های معدنی در حال حاضر در آمریکای جنوبی، محل قرارگیری «مثلث لیتیوم» و بزرگ‌ترین دشت‌های نمکی جهان، متمرکز است.

کودلکو (Codelco) و اس‌کیو‌اِم ((SQM در دسامبر ۲۰۲۵ یک سرمایه‌گذاری مشترک برای توسعه لیتیوم در سالار د آتاکاما (بزرگ‌ترین شوره‌زار کشور شیلی) تا سال ۲۰۶۰ تشکیل دادند. در آن سوی مرز، ریوتینتو (Rio Tinto) در حال توسعه پروژه‌های DLE در آرژانتین، از جمله توسعه رینکون در استان سالتا، پروژه سال د ویدا و تاسیسات فنیکس (Fénix) در استان کاتامارکا است. ارامت (Eramet) نیز در آرژانتین در زمینه DLE فعال است.

همچنین تعداد فزاینده‌ای از شرکت‌های بخش خصوصی که بر لیتیوم تمرکز دارند، DLE را به عنوان یک فناوری استخراج بررسی می‌کنند. شرکت کانترول تِرمال ریسورسِز (Controlled Thermal Resources) از DLE در پروژه زمین‌گرمایی هِلزکیچِن (Hell’s Kitchen) خود در دره امپریال کالیفرنیا استفاده می‌کند، در حالی که انرژی سورس مینرالز (Energy Source Minerals) در حال آماده‌سازی برای آغاز پروژه ATLiS در سال ۲۰۲۸ است که هیدروکسید لیتیوم با کیفیت باتری را مستقیماً از شورابه‌های زمین‌گرمایی استخراج می‌کند و در عین حال منگنز و روی را نیز به طور مشترک تولید می‌کند.

تولید سایر مواد معدنی از شورابه‌ها از طریق استخراج با حلال، جذب یونی یا تبادل یونی، یکی دیگر از مسیر‌های بالقوه سودآور برای فعالان معدنی است.

در واقع، مکی معتقد است که مساله فقط فرصت نیست، بلکه سودآوری تجاری نیز مطرح است: شما باید برای هر چیزی که در یک بشکه آب وجود دارد، بازاری پیدا کنید و عموماً هم وجود دارد. این واقعاً مسیر سودآوری اقتصادی است - در نظر گرفتن آب نمک به عنوان یک منبع کالایی جامع و ترکیبی.

شورابه‌های مختلف ترکیبات متفاوتی دارند، اما منیزیم و عناصر نادر خاکی فرصت‌ساز هستند - مواد معدنی حیاتی که با سرعت گرفتن گذار انرژی، تقاضای فزاینده‌ای را شاهد هستند.

در بسیاری از شورابه‌ها، وانادیوم - یک فلز واسطه چکش‌خوار که در ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس شبکه‌ای استفاده می‌شود - نیز وجود دارد و قابل استخراج است، همان طور که استرانسیوم (که به دلیل استفاده در آتش‌بازی‌ها مشهور است، اما به شکل کربنات در ساخت آهنربا‌های فریت برای موتور‌های الکتریکی نیز استفاده می‌شود) نیز وجود دارد. در برخی مکان‌ها، طلا و مس نیز وجود دارند.

مکی نتیجه می‌گیرد: سطوح مختلفی از تحلیل‌های فنی-اقتصادی برای تعیین سودآوری وجود دارد. در نهایت، تمام این آب باید تصفیه و دفع شود، بنابراین چرا این نوع راهکار چرخشی را که مشکل دیگری را نیز حل می‌کند، توسعه ندهیم؟