کمک فناوری نانو برای تامین منابع جدید لیتیوم 
​​​​​​​گروه دانش دریا-سمیه ملایی-  بررسی‌ها نشان می‌دهد که اگرچه خشکسالی و سدسازی موجب خشکیدن دریاچه‌های داخلی شده و تلاش‌هایی برای احیای آن‌ها هم انجام شده، اما این خشکیدن در پس خود منابع مالی زیادی‌(استخراج لیتیوم) به همراه دارد. خشک‌شدن دریاچه‌هایی مانند ارومیه، دریاچه نمک قم، بختگان، هامون، جازموریان و... در ایران که تقریبا از اواخر دهه‌هفتاد به وضوح در حال نمایان‌شدن است، دلایل متعددی دارد که هر یک در جای خود قابل بررسی است. اما به استناد برخی گزارش‌های رسانه‌ای، وجود منابع عظیم «لیتیوم» در کف این دریاچه‌ها می‌تواند یکی از دلایل توجه ناکافی به روند خشک‌شدن این منابع مهم طبیعی و تعلل در احیای آن باشد. هرچند تبعات محیط‌زیستی و خطرات حیاتی خشک‌شدن این دریاچه‌ها، وجود چنین احتمالی را تقریبا غیرممکن می‌کند.
به گزارش روزنامه اقتصاد سرآمد، در حالی‌که برخی پیش‌بینی‌ها حاکی از آن است که ذخایر زمینی لیتیوم تا سال ۲۰۸۰ به پایان برسد، اما تحقیقات اخیر نشان داده به‌ عنوان یک منبع نامحدود لیتیوم و مستقل از مکان، اقیانوس‌ها حاوی تقریبا ۵هزار برابر لیتیوم از منابع زمینی هستند. آب دریا حاوی مقادیر قابل‌توجهی لیتیوم بیشتر از مقدار موجود در خشکی است و در نتیجه منبع تقریبا نامحدودی از لیتیوم برای تامین رشد سریع تقاضا برای باتری‌های لیتیومی فراهم می‌کند. بااین‌‌حال، استخراج لیتیوم از آب دریا به دلیل غلظت کم و فراوانی یون‌های مزاحم، فوق‌العاده چالش‌برانگیز است.
گزارش‌ها نشان می‌دهد که آب دریا به داخل یک اتاق تغذیه مرکزی جریان دارد که در آنجا یون‌های مثبت لیتیوم از میان غشای LLTO گذشته به داخل اتاقی حاوی محلول بافر و یک کاتد مسی اندودکاری‌شده با پلاتین و روتنیوم می‌ریزد. همزمان یون‌های منفی از اتاق تغذیه از طریق یک غشای تبادل آنیونی استاندارد خارج ‌شده و وارد یک اتاق سوم می‌شود که حاوی محلول سدیم کلراید و یک آنود پلاتین-روتنیوم است. مدتی قبل بود که محققان دانشگاه علوم و فناوری کینگ عبدالله عربستان سعودی اخیرا سیستمی را ایجاد کردند که معتقدند می‌توان از این روش اقتصادی، از آب دریا لیتیوم با خلوص بالا استخراج کرد. این در حالی است که تلاش‌های قبلی برای آزادسازی لیتیوم از ترکیبی که این فلز با سدیم، منیزیم و پتاسیم در آب دریا می‌سازد، لیتیوم کمی آزاد می‌کرد.  

استخراج لیتیوم بدون معدن
در حال حاضر بیشتر لیتیوم جهان از طریق استخراج سنگ سخت یا تبخیر دریاچه نمک از تعداد انگشت‌شماری از کشورها می‌آید. این فرایندها نه‌تنها پرهزینه و کند هستند، بلکه زنجیره‌های تأمین جهانی را آسیب‌پذیر می‌کنند. بااین‌حال، مقادیر زیادی لیتیوم در آب دریا و شورابه‌های زیرزمینی حل شده که تاکنون استخراج آن از این منابع به طرز چشمگیری ناکارآمد بوده است. تیم آرگون فعال در دانشگاه شیکاگو روشی را برای لایه‌برداری ورمیکولیت به ورقه‌های بسیار نازک با تنها یک‌میلیاردم متر ضخامت ابداع کرد و سپس آن‌ها را دوباره روی هم چید تا یک فیلتر لایه‌ای متراکم ایجاد کند. این ورقه‌ها به طرزی باورنکردنی نازک هستند، به‌طوری که به عنوان مواد دوبعدی طبقه‌بندی می‌شوند.
لایه‌های خاک رس تصفیه‌نشده نیز به دلیل میل ترکیبی قوی‌شان با آب، ظرف نیم‌ساعت از هم جدا شدند. محققان برای حل این مشکل، غشای خاک رس دوبعدی را با ستون‌های اکسید آلومینیوم میکروسکوپی لایه‌بندی کردند و به آن ساختاری پایدار و شبیه به پارکینگ‌های طبقاتی دادند. این معماری نه‌تنها غشا را در آب، سالم نگه می‌دارد، بلکه آن را قادر می‌سازد تا یون‌ها را براساس اندازه و بار فیلتر کند که کلید جداسازی لیتیوم از عناصر مشابه مانند منیزیم و سدیم است. محققان برای افزایش بیشتر گزینش‌پذیری، یون‌های سدیم اضافی اضافه کردند که ساختار منافذ غشا را تنگ‌تر کرد. این تغییر، به یون‌های کوچک‌تر مانند سدیم و پتاسیم اجازه عبور می‌دهد، در حالی‌که لیتیوم را با دقت بیشتری جذب می‌کند. نتیجه یک روش فیلتراسیون مقیاس‌پذیر و کم‌هزینه است که می‌تواند ذخایر لیتیوم دست‌نخورده موجود در اقیانوس‌ها، شورابه‌های زیرزمینی و حتی فاضلاب را آزاد کند.

استخراج لیتیوم از آب شور با فناوری‌نانو
یک شرکت کانادایی موفق شد واحد آزمایشی فناوری نانویی خود را برای استخراج مستقیم لیتیوم از آب‌های شور به ‌صورت میدانی راه‌اندازی کند. این سیستم می‌تواند با بازدهی بالا و تأثیر محیط‌زیستی پایین، لیتیوم بسیار خالص تولید کرده و انقلابی در تأمین مواد باتری ایجاد کند. آنطور که ستاد ویژه توسعه فناوری نانو در گزارشی نوشته است؛ شرکت «لیتوس» فعال در حوزه مواد معدنی مورد استفاده در باتری، از آغاز عملیات میدانی واحد پایلوت استخراج لیتیوم با فناوری انحصاری خود خبر داد. این رویداد نقطه‌عطفی در مسیر تجاری‌سازی راه‌حل یک‌مرحله‌ای و زیست‌سازگار Litus LiNC به‌شمار می‌رود که بر پایه فناوری نانو طراحی شده است.
پس از ۲۰ماه آزمایش و اعتبارسنجی در تأسیسات تولید نانومواد شرکت در شهر کلگری، اکنون سیستم پایلوت در میدان نصب و راه‌اندازی شده است. این تأسیسات با ظرفیت تولید روزانه‌ای معادل ۵۰۰برابر مقیاس آزمایشگاهی، زمینه لازم برای عبور از فاز تحقیقاتی به مقیاس صنعتی را فراهم کرده‌اند. غاده نافی، مدیرعامل و بنیان‌گذار لیتوس می‌گوید: ما به فناوری خود و توانایی منحصربه‌فردمان برای استخراج مؤثر لیتیوم اطمینان داریم. اجرای پایلوت، گامی مهم در مسیر تجاری‌سازی است. با هر موفقیت در مقیاس‌سازی، یک قدم به تحقق رؤیای خود برای تحول در استخراج لیتیوم نزدیک‌تر می‌شویم.
نخستین جرقه‌های این فناوری نزدیک به یک‌دهه پیش، در دانشگاه کلگری زده شد؛ زمانی‌که دکتر نافی به ‌همراه همکارانش پدرو پریرا-آلماو و خراردو ویتاله، در حال توسعه راه‌حلی نوین برای استخراج پایدار لیتیوم بودند؛ در دورانی که قیمت لیتیوم هنوز جهش نکرده بود و جهان تنها در آغاز مسیر گذار به انرژی پاک قرار داشت. شرکت لیتوس در سال‌۲۰۱۹ تأسیس و در سال‌۲۰۲۱ راه‌اندازی شد، با هدف توسعه یک فناوری ساده، مؤثر و کم‌هزینه که بتواند لیتیوم را به ‌صورت انتخابی و مستقیم از شورابه‌ها استخراج کرده، منابع آبی را حفظ کند و کمترین آسیب محیط‌زیستی را برجای گذارد. نتیجه این تلاش‌ها، سیستم اختصاصی Litus LiNC بود؛ راه‌حلی که اکنون با موفقیت از آزمایشگاه وارد میدان شده است.
در حالی‌که بسیاری از شرکت‌های فعال در حوزه استخراج مستقیم لیتیوم در عبور از مرز تحقیقات آزمایشگاهی ناکام ماندند، لیتوس موفق شد فناوری خود را تا سطح صنعتی ارتقا دهد. سیستم پایلوت LiNC به ‌صورت ماژولار و «وصل‌وبکار» طراحی شده و قابل ادغام با زیرساخت‌های موجود است. این سیستم نیاز اندکی به آب و انرژی دارد، با محیط‌زیست سازگار است و توانایی بازیابی لیتیوم با خلوص ۹۹٫۵درصد از شورابه‌هایی با غلظت پایین ۳۰ ppm را دارد. ویژگی چشمگیر دیگر این فناوری، توانایی آن در رد کردن تا ۹۹درصد ناخالصی‌هاست؛ به‌گونه‌ای که محصول نهایی به ‌راحتی برای تولید باتری‌های پیشرفته قابل استفاده خواهد بود. به‌ گفته دکتر نافی: فناوری ما حتی در قیمت‌های پایین لیتیوم هم سودآور بوده و در قیمت‌های بالا، متوقف‌نشدنی است. این فناوری می‌تواند از منابعی چون آب تولیدشده در صنایع نفت و گاز یا شورابه‌های زمین‌گرمایی که تاکنون از منظر اقتصادی فاقد توجیه بودند، لیتیوم استخراج کند و آن‌ها را به منبع درآمد تبدیل سازد.

راهکار ارزان استخراج لیتیوم از آب دریا
محققان عربستانی یک سیستم با صرفه اقتصادی برای استخراج لیتیوم خلوص بالا از آب دریا طراحی کرده‌اند. تلاش‌های قبلی برای جداسازی لیتیوم از مخلوطی که این فلز همراه با سدیم ، منیزیم و پتاسیم در آب دریا ایجاد می‌کند بازده کمی داشت. اگرچه این ترکیب از آب دریا حاوی 5000برابر لیتیوم بیشتر نسبت به آنچه در زمین یافت می‌شود، هست اما در غلظت‌های بسیار پایین و تقریباً 0.2قسمت در میلیون وجود دارد. این محققان روشی را امتحان کردند که قبلاً هرگز برای استخراج یون‌های لیتیومی استفاده نشده بود. آن‌ها از یک سلول الکتروشیمیایی حاوی غشای سرامیکی ساخته‌شده از اکسید تیتانیوم لیتیوم لانتانوم استفاده کردند. ساختار کریستالی غشا شامل حفره‌هایی است که به اندازه کافی گسترده هستند و یون‌های لیتیوم می‌توانند از آن عبور کرده و یون‌های فلزی بزرگتر را مسدود کنند.
آن‌ها این سیستم را با استفاده از آب دریای سرخ آزمایش کردند. در ولتاژ 3.25ولت ، سلول در کاتد گاز هیدروژن و در آند گاز کلر تولید می‌کند. این امر باعث انتقال لیتیوم از طریق غشای LLTO می‌شود؛ جایی که در محفظه کناری تجمع می‌یابد. این آب غنی‌شده با لیتیوم سپس چهار مرتبه دیگر پردازش می‌شود و در نهایت به غلظت بیش از 9000 ppm می‌رسد. دانشمندان برای اینکه محصول نهایی به اندازه کافی خالص و مطابق با نیاز سازندگان باتری باشد، PH محلول را تنظیم می‌کنند. طبق گفته محققان، این سلول برای استخراج یک‌کیلوگرم لیتیوم از آب دریا به 5 دلار برق احتیاج دارد. این بدان معنی است که ارزش هیدروژن و کلر تولید شده توسط این سلول در نهایت هزینه برق را جبران می کند و از آب دریای باقیمانده نیز می‌توان با نمک‌زدایی برای تأمین آب‌شیرین استفاده کرد.

اهمیت لیتیوم و کاربرد آن
لیتیوم یک فلز قلیایی نقره‌ای-سفید و نرم با عدد اتمی۳ است. این عنصر در شرایط استاندارد دما و فشار سبک‌ترین فلز و کم‌چگالی‌ترین عنصر جامد است. به دلیل واکنش‌پذیری بالای لیتیوم، هرگز نمی‌توان آن را به صورت عنصر آزاد در طبیعت پیدا کرد و همواره در بخشی از یک ترکیب شیمیایی که بیشتر یونی است، پیدا می‌شود. از آنجایی که لیتیوم در آب حل می‌شود، به صورت یون در آب اقیانوس‌ها و به صورت نمک در آب‌ها و [خاک] رس هم دیده می‌شود. لیتیوم و ترکیب‌های آن کاربردهای فراوانی دارند؛ از آن جمله در شیشه و سرامیک پایدار در برابر گرما، آلیاژهای با مقاومت بالا نسبت به وزن که در فضاپیماها کاربرد دارد، باتری‌های لیتیوم خودروهای برقی و در مصارف پزشکی به عنوان دارو است. بیشترین و بزرگ‌ترین دخایر لیتیوم دنیا در بولیوی و افغانستان وجود دارد که حتی تعدادی از کارشناسان یکی از دلایل کودتای بولیوی و جنگ آمریکا در افغانستان به‌ویژه در دوران ترامپ را دسترسی به معادن غنی لیتیوم در این کشور می‌دانستند. بزرگ‌ترین معادن لیتیوم ایران هم در شرق کشور و در استان خراسان‌جنوبی در شهر نهبندان و اطراف بیرجند قرار دارد. بعد از آن دریاچه نمک قم، چهارمحال و بختیاری و اصفهان هم دارای این معدن هستند. این ماده یک نوع خاک معدنی است که حتی از آب‌شور هم به دست می‌آید.
ایران از معدود کشورهایی است که به مقادیر مناسبی از ذخایر عناصر نادر خاکی و فلزات با ارزش دسترسی دارد که بعد از فرایند اکتشافات پهنه‌های معدنی در سال۱۳۹۳، شناسایی ذخایر لیتیوم از جمله اتفاقاتی بود که در این اکتشافات رخ داد و فلزات کمیابی مانند فلز لیتیوم در مناطق مختلف کشور در مقادیر مناسب رصد شد و استحصال نیمه‌صنعتی آن در دستور کار قرار گرفت. بیشتر عناصر نادر خاکی و فلزات کمیاب برای استخراج به تکنولوژی بالایی نیاز دارند و برخلاف دیگر محصولات معدنی در حجم کم و در ابعاد کیلوگرم خرید و فروش می‌شوند که همین امر به علت قیمت بالای آن‌ها و سختی استحصال‌شان بوده و در صورتی‌که بتوان در استحصال و تولید این مواد به مزیت رسید، در عمل ارزش‌افزوده بالایی خواهند داشت، زیرا فلزی مانند لیتیوم در صنایع «های‌تک» مصارف بسیاری دارد و استفاده از آن از سال۲۰۱۵ تاکنون بیش از ۱۰برابر افزایش داشته است.