ذخایر لیتیوم در ایران

مقدمه

با توجه به پیشرفت وسایل الکترونیکی قابل حمل، خودروهای الکتریکی و همچنین تقاضای روز افزون به استفاده از انرژی پاک، لیتیوم جایگاه ارزشمندی در جوامع امروزی پیدا کرده است. برای مثال شرکت‌های بزرگ خودروسازی مانند تسلا و  بی ام وی به استفاده هرچه بیشتر از فلز لیتیوم به عنوان منبع انرژی در ماشین­های نسل آینده خود روی آورده اند. این عوامل باعث شده است که قیمت این فلز در یک سال گذشته حدود 180 درصد افزایش یابد.

لیتیوم اولین عنصر قلیایی در جدول تناوبی و دارای عدد اتمی 3 است. این عنصر به صورت خالص به  نقره‌ای-سفید است. ولی از آن جایی که این عنصر با مولکول‌های آب بسیار سریع واکنش می‌دهد، بنابراین امکان یافتن آن به صورت عنصر آزاد در طبیعت وجود ندارد. لیتیوم معمولا به صورت یونی در ترکیبات شیمیایی، شورابه‌ها، کانسنگ‌ها، آب اقیانوس‌ها و در خاک رس یافت می‌شود. واکنش پذیری بالای لیتیوم به دلیل آرایش الکترونی آن است. لیتیوم دارای یک الکترون منفرد در آخرین لایه بیرونی خود است (که به عنوان الکترون ظرفیتی شناخته می‌شود)، که به آن این امکان را  می‌دهد تا با از دست دادن تنها الکترون لایه ظرفیت خود به پایداری برسد.

 فلز لیتیوم به مانند سایر فلزات به راحتی می‌تواند گرما و جریان‌های الکتریکی را هدایت کند. همچنین چون فلز لیتیوم سبک‌ترین فلز بین فلزات قلیاییست آن را به انتخابی ایده‌آل برای استفاده در دستگاه‌های قابل حمل تبدیل می‌کند.

یکی از پرکاربردترین مصارف لیتیوم استفاده از آن در باتری‌های لیتیوم-یون است. در این باتری‌ها یون‌های لیتیوم (اتم‌های با باردار الکتریکی مثبت) هنگام دشارژاز الکترود منفی به الکترود مثبت و هنگام شارژ به صورت برعکس حرکت می‌کنند و باتری‌های لیتیومی را قادر می‌سازند تا به دستگاه‌هایی قابل شارژ تبدیل شوند. باتری‌های لیتیوم یونی همچنین می‌توانند سه برابر چگالی انرژی باتری‌های سرب قابل شارژ معمولی را تامین کنند. به دلیل این خواص منحصر به فرد به لیتیوم نام مستعار «طلای سفید» داده شده است.

به دلیل ناپایداری لیتیوم در هوای آزاد و دشوار بودن شرایط نگهداری از آن، این عنصر در بازار به صورت ترکیب لیتیوم کربنات (Li₂CO₃)، لیتیوم هیدروکسید (LiOH) و همچنین  به صورت لیتیوم خالص (در یک محلول آلی) فروخته می‌شود. البته در برخی از موارد فلز لیتیوم خالص به صورت وکیوم (خلا) نیز در بازار به فروش می‌رسد.

استخراج لیتیوم

به طور کلی روش‌های فیزیکی و شیمیایی متفاوتی را می‌توان برای استخراج لیتیوم از آب نمک و سنگ معدن استفاده کرد. استحصال لیتیوم در استرالیا از استخراج سنگ معدن به دست می‌آید، که با استفاده از فرآیندهای جداسازی  و فرآیندهای متالورژی انجام می‌شود. در حالی که در شیلی و آرژانتین لیتیوم از بیابان‌های نمک (به اصطلاح سالار شور) به دست می‌آید و با استفاده از روش‌های جداسازی واکنشگرهای تبخیری و شیمیایی صورت می‌پذیرد.

روش استاندارد استخراج لیتیوم از آب شور شامل: 1. پمپاژ آب شور غنی از لیتیوم از دریاچه‌های زیرزمینی به سطح زمین و انتقال آن به حوضچه‌های بزرگ تبخیر است که دارای هزاران هکتار مساحت است. 2. در حوضچه‌ها، لیتیوم و سایر نمک‌ها با استفاده از روش تبخیر خورشیدی به مدت یک سال یا بیشتر تغلیظ می‌شوند. مرحله تبخیر آب شور به منظور دستیابی به غلظت کافی لیتیوم ( حدود 6000 میلی گرم بر کیلوگرم) انجام می‌شود. 3. در ادامه، اجزای غیر لیتیومی که با استفاده از مراحل متوالی تغلیظ تبخیری حذف نشده‌اند، با استفاده از روش بارش(رسوب زایی) که با افزودن معرف‌های شیمیایی انجام می‌شود،جدا می‌شوند. معرف‌های شیمیایی که در روش بارش استفاده می‌شوند عمدتاً آهک خشک شده (Ca(OH)₂) هستند. 4. محلول غنی شده از لیتیوم به یک کارخانه فرآوری منتقل می‌شود که در آن اجزای ناخواسته باقی مانده از محلول با روش‌های غیر تبخیری از محلول خارج می‌شوند. این روش‌ها معمولاً اختصاصی هستند اما می‌توانند شامل افزودن معرف‌ها، فیلتراسیون، استخراج با حلال و تبادل یونی باشند. آب شور خالص شده که دارای لیتیوم غلیظ شده است از نظر شیمیایی با خاکستر سودا (Na₂CO₃) برای تولید کربنات لیتیوم (Li₂CO₃) یا به منظور پردازش بیشتر برای تولید هیدروکسید لیتیوم (LiOH·H₂O) پردازش می‌شود. پردازش آب نمک تبخیری معمولاً فقط 50 درصد از محتوای لیتیوم اصلی آب شور را بازیابی می‌کند. طبق اطلاعات S&P Global Market Intelligence (2019)، هزینه تولید لیتیوم از آب شور به طور متوسط 5580 دلار در هر تن LCE (هم ارز کربنات لیتیوم) است.

همیشه انتقاداتی در مورد استخراج لیتیوم از سالار شورها وجود دارد: در برخی مناطق، مردم از افزایش خشکسالی شکایت دارند که برای مثال دامداری را تهدید می‌کند یا منجر به خشک شدن پوشش گیاهی می‌شود. البته از دیدگاه کارشناسان، هنوز مشخص نیست که خشکسالی تا چه حد به استخراج لیتیوم مرتبط است.

استخراج لیتیوم از سنگ معدن: با ارزش‌ترین معادن سنگ سخت به طور غالب دارای پگماتیت‌های گرانیتی است که حاوی 1 تا 2 درصد وزنی Li₂O است. فرآوری سنگ معدن شامل: 1. خرد کردن سنگ معدن استخراج شده، 2. تغلیظ مواد معدنی لیتیوم از طریق شناورسازی، 3. حرارت دادن در دمای 1050 درجه سانتیگراد و تصفیه با اسید سولفوریک و 4. حرارت دادن ثانویه در دمای 200 درجه سانتیگراد برای تولید کنسانتره لیتیوم است. سپس کنسانتره لیتیوم از طریق فرآیندهای چند مرحله‌ای شامل شستشو، جداسازی مایع از جامد و حذف ناخالصی از طریق رسوب و تبادل یونی به Li₂CO₃ یا LiOH·H₂O تبدیل می‌شود. طبق اطلاعات S&P Global Market Intelligence (2019)، هزینه‌های تولید لیتیوم از استخراج سنگ معدن به طور متوسط 2540 دلار در هر تن LCE بوده است. با این حال، این هزینه تولید کنسانتره معدنی است که باید به محصولات نهایی مانند کربنات لیتیوم و هیدروکسید لیتیوم تبدیل شود. تبدیل به لیتیومی که قابل استفاده در باتری است نیز می‌تواند 2000 تا 2500 دلار در هر متر کنسانتره استخراج شده هزینه داشته باشد.

شکل 1. بررسی شماتیک استخراج لیتیوم

منابع لیتیوم در ایران

در سال‌های اخیر، ایران اقداماتی را برای توسعه بخش معدن و فلزات خود انجام داده است، این اقدامات با هدف تنوع بخشیدن به منابع اقتصادی، که در عین حال کمتر به درآمدهای نفتی وابسته است صورت پذیرفته است.

حدود 7 درصد از ذخایر معدنی جهان در ایران یافت می‌شود که کشور ما را به یکی از مهم‌ترین تولیدکنندگان مواد معدنی در جهان تبدیل می‌کند. ایران دارای ذخایر عمده روی، مس، نمک، زغال سنگ، سنگ آهن، اورانیوم، سرب، طلا، بوکسیت (برای آلومینیوم)، مولیبدن، آنتیموان، گوگرد، شن و ماسه و احتمالا لیتیوم است.

البته علیرغم ثروت عظیمی که در دست داریم، هنوز در تلاش هستیم تا بخش معدنی خود را با ظرفیت کامل بهره‌برداری کنیم. یکی از موانع رسیدن به این هدف، کمبود ماشین آلات و تجهیزات لازم برای استخراج مواد معدنی از معادن است. برای مقابله با چالش اخیر، برنامه‌هایی مبتنی بر حمایت از صنعت صادرات محور و تولیدکنندگان دانش بنیان در دستور کار دولت‌ها قرار گرفته است. شرکت‌های دانش بنیان بر روی تحقیق و تولید ماشین آلات جدید به منظور توسعه استخراج متمرکز می‌شوند. کشور ما از طریق استخراج معادن توانست میلیاردها دلار درآمد ارزی برای کشور ایجاد کند و در عین حال صدها هزار شغل جدید برای جوانان فراهم آورد.

منابع طبیعی لیتیوم به دو دسته‌ی کلی تقسیم می‌شوند. یکی شورآبه‌های حاوی فلزات قلیایی و دیگری کانسنگ‌های معدنی نظیر spodumene و lepidolite. در ایران نیز معادنی از هر دوگونه یافت می‌شود. شهر نهبندان و اطراف بیرجند که از توابع استان خراسان هستند، شورآبه‌های قم، اصفهان و سمنان، دریاچه ارومیه و نیز دریاچه‌های چهارمحال بختیاری دارای ذخایری از این عنصر هستند. اخیرا نیز معدنی در همدان یافت شده است که حاوی لیتیوم است.

دریاچه نمک قم دارای وسعت 2 هزار و 300 کیلومتر مربع است و شورابه‌های آن حاوی عنصر لیتیوم هستند. میزان درصد لیتیوم در این شورابه‌ها پایین است ولی به دلیل وسعت بسیار زیادی که دارند استخراج این عنصر دارای ارزش اقتصادی است. معاون سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی کشور در طی خبری بیان کرده است که در 40 تا 50 نمونه‌ای که از دریاچه نمک بدست آورده شده است بیش از 200 گرم لیتیوم در هر تن یافت شده است. در حالی که در جهان میزان لیتیوم خالص در هر تن به میزان 40 گرم است و این نشان می‌دهد این دریاچه نمک در زمینه عنصر لیتیوم نسبت به دریاچه‌های جهان دارای مزیت اقتصادی باشد. علاوه بر دریاچه قم، در سال 1391 نیز خبری مبنی بر کشف یک معدن در نزدیکی قم که دارای لیتیوم است منتشر شد. در اسفند سال 1396 نیز رئیس سازمان صنعت، معدن و تجارت استان خراسان جنوبی اعلام کرد که در مطالعات اکتشافی خود ماده معدنی لیتیوم در نوار مرزی زیرکوه به مساحت 2 هزار و 700 کیلومتر مربع شناسایی شده است.

گمانه‌زنی‌هایی نیز وجود دارد که دریاچه ارومیه منبعی غنی از لیتیوم است و نمک‌های موجود در آن می‌تواند درصد خوبی از نیاز آینده به عنصر لیتیوم را تامین کند.

اخیرا معاون امور معادن و سازمان صمت استان همدان خبر از کشف یک معدن ذخیره لیتیوم در همدان را داده است، وی بیان کرد که این معدن به عنوان اولین معدن ذخیره لیتیوم در ایران شناخته می‌شود که احتمالا دارای ارزش اقتصادی استخراج لیتوم است..  همچنین وی افزود که دو معدن در دشت قهاوند کشف شده است که حاوی لیتیوم است و وسعت آن‌ها حدود یازده کیلومتر مربع است. این معادن در زمینی از جنس رس یافت شده‌اند. چنانچه گفته شده است، ذخایر این معادن حدود 8 میلیون و 500 هزار کانسنگ است که باید درصد خلوص لیتیوم در این کانسنگ‌ها اندازه گیری شود تا بتوان میزان لیتیوم خالص در آن‌ها را برآورد کرد. او همچنین بیان کرد کشف این معدن چهار سال به طول انجامید و تا دو سال آینده نیز راه‌اندازی خواهد شد. از آنجایی که کشور ما تکنولوژی استخراج لیتیوم از منابع شورابه‌ها و کانسنگ ها را ندارد لازم است از تکنولوژی‌های کشورهای دیگر برای این منظور استفاده شود. در میان کشورهای دارای این فناوری احتمالا با دو کشور چین و روسیه   برای استخراج لیتیوم همکاری شود.

همانطور که گفته شد، به طور رایج کانسنگ‌ها دارای 1 تا 1.5 درصد از ترکیب اکسید لیتیوم (Li₂O)  هستند، به عبارتی فقط 0.18 تا 0.29 درصد از این کانسنگ‌ها را لیتیوم تشکیل می‌دهد. اگر در نظر بگیریم که معدن همدان نیز دارای همین میزان از لیتیوم باشد بنابراین با یک محاسبه ساده می‌توان نتیجه گرفت این معدن دارای 15 تا 23 هزار تن لیتیوم خالص است. این در حالی است که کشورهایی مانند شیلی، استرالیا و آرژانتین دارای میلیون‌ها تن لیتیوم خالص هستند. همچنین در خبری دیگر، عضو کمیسیون معادن و صنایع معدنی اتاق بازرگانی ایران گفته است که در معان یزد نیز تا حدی کانسنگ لیتیوم یافت شده است ولی در کنار سایر مواد معدنی قرار گرفته است. رئیس سازمان زمین شناسی و اکتشافات معدنی اظهار داشت که در ایران معادن کوچکی از لیتیوم کشف شده است ولی این اکتشافات در حدی نیست که بتوان به عنوان منابع ذخیره لیتیوم بر روی آن‌ها حساب کرد همچنین بر روی این معادن هنوز کار تخصصی انجام نشده است.

یکی از منابع کمتر بررسی شده لیتیوم، پسآب‌های ایجاد شده در میادین نفت و گاز است. پسآب و گِل استفاده شده در چاه‌های نفتی، لیتیوم را در خود حل کرده و به سطح زمین منتقل می‌کند لذا می‌توان از آن بعنوان یکی از منابع استخراج لیتیوم به کمک استفاده از روش‌های غشاءهای تبادلی، استخراج حلالی، جاذب‌های سطحی و یا الکترولیز یاد کرد.

با توجه به فعال شدن رقبای منطقه‌ای کشور در زمینه باتری و خودروی الکتریکی، نیاز است تا تلاش بیش‌تر و متمرکزی برای قرار دادن کشور در زنجیره‌ی ارزش باتری لیتیومی و خودروی برقی صورت گیرد. ترکیه در حال افزایش ظرفیت تولید خودروهای برقی خود است. امارات متحده در همکاری با شرکت Lepidico قصد دارد تا کارخانه‌ی فرآوری لیتیوم را در کشور خود راه‌اندازی کند. عربستان صعودی نیز در سال گذشته در نقشه راه منتشر شده‌اش ابراز کرد که بخش معدن خود را برای تولید مواد باتری و همچنین بازار خودروهای الکتریکی خود را افزایش می‌دهد. معادن کانسنگ لیتیومی که در افغانستان وجود دارد نیز مورد توجه چینی‌هاست تا بتوانند بخشی از نیاز خود را از طریق تصاحب آن مرتفع کنند.