مقدمه ای بر لیتیوم: انواع ذخایر و کاربرد لیتیوم

مدت زمان مطالعه: ۵ دقیقه

نوشته شده توسط: زمین پی جویان نگار

تاریخ انتشار مقاله: ۱۴۰۲/۰۱/۳۰ 

تاریخ به روزرسانی: 1402/04/10

مقدمه ای بر لیتیوم: انواع ذخایر و کاربرد لیتیوم

آیا می دانید لیتیوم چیست؟

احتمالا نام این عنصر را شنیده اید!

چه چیزی این عنصر را تا این حد خاص کرده است؟

امروزه این عنصر در زندگی روزمره ما کاربردهای زیادی دارد.

در این مقاله با این عنصر پرکاربرد بیشتر آشنا میشوید.

لیتیوم چیست؟

لیتیوم یک عنصر شیمیایی با نماد (Li) و سومین عنصر در جدول تناوبی با عدد اتمی ۳ قرار دارد، این عنصر فلزی سبک، نرم و سفید مایل به نقره ای بوده و اولین عنصر گروه فلزات قلیایی در عناصر شیمیایی می باشد.

این عنصر که نامش از کلمه یونانی “lithos” به معنای “سنگ” گرفته شده، اولین بار در اولین دهه 1800 میلادی از کانی پتالیت (Petalite) با فرمول Li(AlSi₄O₁₀) در جزیره ای در کشور سوئد توسط شیمیدان برزیلی به نام خوزه بونیفاسیودآندراددسیلوا (José Bonifácio de Andrade de Silva) کشف شد، اما عنصر لیتیوم بعد از ۱۷ سال توسط شیمیدان سوئدی به نام یوهان آگوست آرفودسون (Johan August Arfwedson) در سال ۱۸۱۷ از کانی پتالیت جداسازی شد و این شیمیدان عنوان کرد که این عنصر ترکیباتی شبیه سدیم و پتاسیم دارد و به همین علت این عنصر در جدول تناوبی قرار گرفت.

این فلز نقطه ذوب بسیار پایین و چگالی کمی در بین تمام فلزات را دارد و همچنین بسیار واکنش پذیر است، به همین دلیل به معمولا با سایر مواد معدنی طبیعت یافت میشود. این عنصر با آب و هوا واکنش پذیری بالایی دارد، اگر این عنصر توسط هوا اکسیده شود به رنگ خاکستری تا سیاه تبدیل می شود و اگر بر روی آتش گرفته شود به سرعت به رنگ ارغوانی درمی آید.

انواع ذخایر دارای لیتیوم

لیتیوم در پوسته زمین به میزان ۰.۰۰۷ درصد وزنی در اشکال مختلف وجود دارد و منابع لیتیوم را می توان به سه گروه، آب نمک (شورابه ها)، سنگ های پگماتیت و خاک های رسوبی تقسیم بندی کرد.

آب های نمک(شورابه ها)

آب های نمک تا حد زیادی منبع اصلی لیتیوم با بیش از ۶۰ درصد ذخایر شناسایی شده در جهان می باشند. لیتیوم در شورابه ها به صورت نمک لیتیوم کلرید (LiCl) تشکیل میشود و مهمترین ذخایر لیتیوم از حوضه های زهکشی است زیرا میزان تبخیر آب در این حوضه های بیشتر از میزان بارندگی می باشد این حوضه ها معمولاً به عنوان نمکزار، باتلاق نمکی، پلایا یا سالار(salar) شناخته می شوند. لیتیوم در آب های شور زمین گرمایی ناشی از فعالیت های آتشفشانی نیز وجود دارد، از نیروگاه هایی مهم مانند نیروگاه زمین گرمایی(Wairakei Power Station) در نیوزلند، نیروگاه زمین گرمایی(Reykjanes Power Station) در ایسلند و نیروگاه زمین گرمایی (Hatchōbaru Geothermal Power Plant) لیتیوم استخراج میکنند. در آب دریا، غلظت لیتیوم، تقریباً ۰.۱ قسمت در میلیون (ppm) بوده به همین دلیل استخراج از آن اقتصادی نیست.

پگماتیت

پگماتیت‌ سنگ های آذرین درونی دانه درشتی که می توانند حاوی مقادیر قابل توجهی لیتیوم باشند. مهمترين كاني‌هاي پگماتيتي ليتيم دار‌ عبارتند از کانی اسپودومن (Spodumen) با فرمول شیمیایی (LiAlSi₂o₆)، کانی لپيدوليت (Lepidolite) میکای (Li) دار و کانی آمبلي گونيت (Ambligonite) يك فسفات (Li) دار می باشد. اسپودومن مهمترین پگماتیت حاوی لیتیوم است که به منبع قابل توجهی از ذخایر لیتیوم تبدیل شده است.

سنگ های رسوبی

منبع سومی که کمتر از 3 درصد از منابع جهانی لیتیوم را دربر میگیرد. ذخایر هکتوریت (hectorite) و ذخایر جاداریت (Jadarite) از مهمترین ذخایر لیتیوم رسوبی می باشند. تاکنون دو ذخایر هکتوریتی در مک درمیت (McDermitt) آمریکا و سونورا (Sonora) مکزیک شناخته شده اند.

در حال حاضر، تنها منابع پگماتیت و شورابه ها برای تولید لیتیوم به صورت تجاری در مقیاس بزرگ استفاده می شود، اما ذخایر جدید با هدف تولید لیتیوم از منابع رسوبی در غرب آمریکای شمالی و در سراسر جهان در حال کشف می باشند.

استخراج و فرآوری لیتیوم

روش های استخراج ذخایر لیتیوم با توجه به نوع ذخیره آن متفاوت است. ذخایر آب نمک های (شورابه ها) لیتیوم دار در زیر زمین در سنگ های متخلخل در اعماق مختلف و با تخلخل های متفاوت یافت می شوند. برای دسترسی به این شورابه ها چاه ها یا گمانه ها به داخل شورابه ها حفر می شوند و از پمپ ها برای آوردن آب نمک به سطح استفاده می شود و وقتی به سطح می رسد در حوضچه های تبخیر توزیع میشود تا آب به طور کامل در این حوضچه ها تبخیرشود. تعداد، مکان و فاصله این چاه ها به ویژگی های آبخوان آن ها مانند هندسه، اندازه، تخلخل، عمق و دبی مورد نیاز آب نمک بستگی دارد.

بعد از اینکه آب شورابه ها تبخیر شد، آب نمک برای استخراج به مرکز فرآوری لیتیوم فرستاده میشود. عنصر لیتیوم نسبت به سایر عناصر موجود در آب نمک ها محلول تر است، بنابراین ترکیباتی مانند کلرید سدیم، کلرید پتاسیم یا سولفات کلسیم ابتدا رسوب می کنند و در نهایت خود لیتیوم به صورت کلرید لیتیوم رسوب می کند، اما در این مرحله آب نمک به طور کامل غلیظ می شود.

لیتیوم از ذخایر سنگ پگماتیت در معادن روباز یا معادن زیرزمینی استخراج می شود. در گودال‌های روباز، معمولاً شامل برداشتن روباره، حفر سنگ معدن یا انفجار با مواد منفجره انجام میشود. سپس سنگ معدن را به مناطق تعیین شده برای فرآوری منتقل می کنند. همچنین روش‌های استخراج زیرزمینی لیتیوم زمانی استفاده می‌شوند که کانسار در اعماق و یا به گونه ای باشد که استخراج زیرزمینی کارآمدتر باشد. مانند معدن بیکیتا در زیمباوه (Bikita Mine) که سنگ معدن به صورت افقی در اعماق مختلف استخراج میشود.

مسائل زیست محیطی استخراج لیتیوم

مشکلات زیست محیطی رایج استخراج لیتیوم از دست دادن آب، تغییر ساختار و شکل زمین، از دست دادن تنوع زیستی و از بین رفتن زمین های حاصلخیر، افزایش شوری رودخانه ها، آلوده شده خاک و ضایعات و زباله های سمی است. در حوضچه های شورابه برای تولید یک تن لیتیوم، تا ۲ میلیون لیتر آب مورد نیاز است و درحالیکه بیشتر این آب با تبخیر از بین می رود.

لیتیوم برای انسان سمی نیست و در دوزهای کنترل شده برای درمان برخی اختلالات عصبی استفاده می شود. با این حال، استفاده طولانی مدت می تواند باعث طیفی از مشکلات از جمله کم آبی بدن، استفراغ، تاری دید، لرزش، اختلال در تکلم، خواب آلودگی، گیجی، انقباضات عضلانی، گرفتگی یا بیهوشی شود.

کاربردهای لیتیوم

لیتیوم به صورت ترکیبات مختلف مانند کربنات لیتیوم (Li₂CO₃)، اکسید لیتیوم (Li₂O) و کلرید لیتیوم (LiCl) در زندگی روزمره ما کاربرد دارد.

مهمترین کاربردها عبارتند از:

شیشه و سرامیک

لیتیوم در تولید شیشه و سرامیک های خاص استفاده می شود، اکسید لیتیوم به دلیل اینکه نقطه ذوب و ویسکوزیته سیلیس را کاهش میدهد به عنوان یک شار (هدایت حرارتی) در صنایع سرامیک و شیشه استفاده می شود. شیشه‌ها و لعاب‌های حاوی لیتیوم در سرامیک‌ها در برابر دماهای بالا مقاوم‌ می باشند و لیتیوم باعث میشود تا آنها در برابر تغییرات ناگهانی دما مقاوم شوند. ترکیب لیتیوم با مس لعاب های آبی رنگ و با کبالت لعاب های صورتی برای سرامیک ها ایجاد می کند.

باتری

لیتیوم در انواع مختلفی از باتری ها، هم غیر قابل شارژ و هم قابل شارژ استفاده می شود. در مدل های غیر قابل شارژ (که به عنوان باتری های یکبار مصرف نیز شناخته می شود) از فلز یا ترکیبات لیتیوم استفاده می شود. این باتری ها نسبت به سایر انواع باتری های یکبار مصرف عمر طولانی تری دارند اما گران تر می باشند. به عنوان مثال اغلب در ساعت‌ها و دوربین‌ها مورد استفاده قرار می‌گیرند. باتری های قابل شارژ اغلب از نوع لیتیوم یونی می باشند. باتری‌های لیتیوم یونی نسبت به دیگر انواع باتری‌های قابل شارژ مزایایی دارند، زیرا به طور کلی سبک‌تر می باشند، چگالی انرژی بالایی دارند (یعنی انرژی بیشتری در واحد وزن تولید می‌کنند)، شارژ خود را بهتر نگه می‌دارند. باتری‌های لیتیوم یونی برای کاربردهای متعددی از جمله تلفن‌های همراه، لپ‌تاپ، دوربین‌ها و بسیاری دیگر از لوازم الکترونیکی مصرفی و وسایل نقلیه الکتریکی استفاده می‌شوند. تقاضا برای لیتیوم در بخش خودروهای الکتریکی به سرعت در سراسر جهان رشد میکند زیرا این خوردروها باعث کاهش استفاده از سوخت های فسیلی میشود و آلودگی هوا را کمتر میکنند. بنابراین تولیدکنندگان، مصرف کنندگان را تشویق به استفاده از خودروهای هیبریدی و تمام الکتریکی میکنند.

هوافضا

در صنایع هوافضا و نظامی برای خنک کردن اجزای حساس به دما، در وسایل نقلیه فضایی و تجهیزات نظامی مانند سیستم های رادار و سیستم های هدایت موشک استفاده می شود. لیتیوم همچنین با آلومینیوم، کادمیوم، مس یا منگنز در ساخت قطعات تخصصی هواپیما استفاده می شود.

داروسازی

ترکیبات زیادی از لیتیوم، از جمله کربنات لیتیوم در پزشکی به عنوان داروهای درمان اختلال دوقطبی استفاده می شود. لیتیوم گاهی اوقات همراه با مواد دیگر برای سایر اختلالات روانپزشکی استفاده می شود.

ذخایر لیتیوم در جهان

از کشورهای مهم تولیدکننده لیتیوم مانند استرالیا، شیلی، چین و آرژانتین گرفته تا کشورهایی که اخیراً اکتشاف لیتیوم را آغاز کرده اند، مانند مکزیک، کانادا، بولیوی و ایالات متحده همه برای کشف این “طلای سفید” در سطح جهانی در حال تلاش می باشند. درحال حاضر، تقریباً تمام استخراج لیتیوم در استرالیا، آمریکای لاتین و چین انجام می‌شود. استرالیا پیشرو جهانی در تولید لیتیوم با پنج معدن که تقریباً نیمی از تولید لیتیوم در جهان را تشکیل میدهد. ذخایر مهم دیگر مانند ذخایر آب نمک (شورابه) در شیلی و آرژانتین و بولیوی که به عنوان مثلث لیتیوم شناخته میشوند و از میان آنها، بولیوی دارای بیشترین میزان ذخایر لیتیوم در جهان بوده و به عنوان یک دارایی بزرگ برای این کشور در نظر گرفته می شود تا در سطح جهانی اقتصاد خود را تقویت کند. چین رهبر جهان در فرآوری لیتیوم است و بیشترین محصولات فرآوری شده در باتری را تولید میکند.

کانادا: در حال حاضر حدود ۳.۲ میلیون تن منابع اکسید لیتیوم در ذخایر پگماتیت خود دارد. ذخایر دیگر در کانادا، آب نمک (شورابه ها) لیتیوم در آلبرتا (Alberta) و ساسکاچوان (Saskatchewan) می باشد.

هند: ذخایر لیتیوم اخیراً در ناحیه جامو و کشمیر (Jammu &Kashmir) کشف شده که سازمان زمین شناسی هند این ذخیره را ۵.۹ میلیون تن تخمین زده است. کشف این ذخایر بزرگ فلزی در هند به طور بالقوه می تواند به این کشور کمک کند تا تقاضای داخلی خود برای این فلز را تامین کند.

ذخایر لیتیوم در ایران

در ایران تاکنون مطالعاتی درباره ذخایر لیتیم انجام شده است و مقالات آن ارائه شده است، مانند مشاهدات ناهنجاری های لیتیوم در خراسان رضوی (Saadati el al., 2020)، مطالعات عنصر لیتیوم در منطقه طرود (Fyzollahhi el al., 2018) و همچنین در ایران مرکزی (Rangzan el al., 2022) و… اما تاکنون از این موارد، ذخیره ای قطعی اعلام نشده است.

نتیجه گیری

لیتیوم یک منبع معدنی مهم است، به دلیل کاربردهای متنوع آن به طور زیادی مورد توجه قرار گرفته است. وجود ذخایر آن در تمام قاره ها، این عنصر را برای اکتشاف قابل دسترس می کند. نیاز به تامین منابع لیتیوم با رشد صنعت خودروهای الکتریکی همچنان افزایش می‌یابد. میتوان با برنامه ریزی مناسب و مدیریت مسئولانه منابع لیتیوم را در آینده افزایش داد.