قام فريق بحثي من جامعة قطر بإعداد بحث علمي حول استخراج الليثيوم من مياه البحر، وتأتي أهمية هذا البحث العلمي من أنه في عالم يتزايد فيه الطلب على الطاقة النظيفة والمستدامة، بَرَز الليثيوم باعتباره "الذهب الأبيض" في العصر الحديث، حيث يدخل هذا المعدن الثمين والضروري لحلول تخزين الطاقة في قلب صناعة السيارات الكهربائية والإلكترونيات المزدهرة. ومع ارتفاع سعر الليثيوم بسبب الطلب المتزايد عليه باستمرار، يسعى الباحثون لإيجاد طُرق مبتكرة يُمكِن الوصول إليها لاستخراج هذا المُورِد الثمين، وتتضمن إحدى هذه الطرق الرائدة، الاستفادة من مياه البحر التي تعتبر واحدة من مصادر الأرض الأكثر وفرة.
يُعد الليثيوم عنصر رئيسي في مواد تخزين الطاقة، وعند استخدام هذا العنصر مع موارد الطاقة المتجددة، فإن ذلك سيؤدي إلى تقليل الاعتماد على الوقود الهيدروكربوني، وبالتالي المساهمة في مكافحة تغيُّر المناخ، كما أن الدول التي تستخدم محطات لتحلية مياه البحر بأنظمة التناضح العكسي دون أن يكون لديها موارد عنصر الليثيوم الأخرى - مثل دولة قطر - يكون لديها فرصة عظيمة لاستخراج الليثيوم من مياه البحر عالية الملوحة بأنظمة التناضح العكسي، حيث تدعم مشروعات الصندوق القطري لرعاية البحث العلمي، وبرنامج المنح الدراسية لطلبة الدراسات العليا، وغيرها من مشاريع جامعة قطر للطلبة، المشاريع التي تستهدف استخراج عنصر الليثيوم وتُشجِّع الاقتصاد الدائري لعنصر الليثيوم، وذلك من خلال تصميم نظام كهروكيميائي مُكثَّف يستخدم مواد بطاريات الليثيوم لاستخراج عنصر الليثيوم من مختلف المصادر السائلة.
ولأغراض المشروع، أعدَّ باحثون من العديد من المؤسسات بما في ذلك جامعة قطر، وجامعة التكنولوجيا في سيدني، وجامعة سيدني في أستراليا، نظامًا كهروكيميائيًا لاستخراج عنصر الليثيوم من مياه البحر.
نتجَ عن الاستخدام الواسع لليثيوم في الأنظمة الكهربائية الثابتة والمتحركة نقص في كمية المعدن مما أدى إلى زيادة سعره من 7000 دولار/ طن إلى 70000 دولار/ طن خلال السنتين المنقضيتين. تاريخيًا، تم استخراج الليثيوم من أحواض التبخير الشمسي، وهي عملية تستهلك وقتًا كبيرًا وتتضمن استخدام كميات كبيرة من المواد الكيميائية التي قد تكون مضرة بالبيئة، وقد أثبتت الأنظمة الكهروكيميائية لاستخراج الليثيوم التي أعدها فريق البحث، أنه أصبح من الممكن استخراج الليثيوم من مياه البحر بأسلوب صديق للبيئة، وذلك حسب النتائج المنشورة في المجلات العلمية (مجلة تحلية المياه 2021، مجلد 500، صفحة 114883-114914؛ ومجلة المواد النانوية 2023، مجلد 13، صفحة 895-909) (شكل 1).
وبالنظر إلى توافر المعادن الثمينة - بما في ذلك أيونات الليثيوم - في مياه البحار، فإن التحدي يكْمُن في الاستخراج الفعَّال لهذه العناصر الشحيحة، حيث يَستهدِف المشروع تخصيب أيونات الليثيوم في مياه البحر باستخدام تقنيات الطاقة الشمسية المركزة، ويستلزِم استخراجه طريقة موفِّرة للطاقة وأسلوب ينتج انبعاثات كربونية منخفضة. وقد استخدم فريق البحث جهازًا كهروحراريًا يعمل بتكثيف الطاقة الشمسية لتوظيف مياه البحر كمُبرد يتم من بعد ذلك معالجتها من خلال وحدة التقطير الغشائي لتخصيب أيونات الليثيوم في مياه البحر. ومن ثم فيُمكِن استخدام الطاقة المولدة لتشغيل نظام كهروكيميائي لاستخراج الليثيوم والذي يستهلك طاقة محدودة للغاية.
ويُعد استخراج الموارد بما في ذلك استخراج الليثيوم من مياه البحر من المواضيع الهامة في سوق تقنيات تحلية مياه البحر. وأن إعداد نظام كهروكيميائي للاستخراج الانتقائي لليثيوم من المحلول الملحي الناتج عن عملية التناضح العكسي - الذي تكون ملوحته ضعف ملوحة البحر في محطات تحلية مياه البحر بالتناضح العكسي والتي تحتوي على مختلف أنواع أيونات الملح - يعتبر مهمة صعبة، إلا أن هذا المشروع يُظهر مستويات انتقائية عالية باستخدام الأقطاب التكثيفية، ويُمكِن أن توفِّر الدراسات الإضافية على هذه التقنية أسس الاستخراج المستمر لأيونات الليثيوم من خلال عملية التناضح العكسي لمياه البحر بطريقة فعَّالة. وقد نجح المشروع في إعداد نظام كهروكيميائي لاستخراج الليثيوم بمساعدة الحرارة، والذي نتج عنه استخراج سريع (36.8 ملي جرام ن-1 يوم-1) وانتقائي (نسبة نقاء 51.8%) لليثيوم من مياه البحر المعالجة مع نسبة مولارية عالية جدًا الصوديوم+ / ليثيوم+ تبلغ 20000.
قامت شركة أكسيونا أجوا في دولة قطر المسؤولة عن الشرق الأوسط بتركيب محطات معالجة مياه البحر بالتناضح العكسي في منطقتي أبو فنطاس وأم الحول في الدولة، بهدف تطوير التقنيات التي تُحسِّن قِيم المحلول الملحي لنظام التناضح العكسي لمياه البحر، ذلك ما سيُساعد على نمو سوق تحلية مياه البحر باستخدام التناضح العكسي.
وأخيرًا، إن إعادة تخصيص المحلول الملحي الناتج عن معالجة التناضح العكسي لمياه البحر، ليكون مصدرًا لليثيوم باستخدام مواد بطاريات أيون الليثيوم المستهلكة كأقطاب مع التقليل الجزئي للطاقة اللازمة لاستخراج العنصر، من خلال توظيف التقنيات الكهروحرارية بالطاقة الشمسية، هو مثال جيد على تعزيز الاقتصاد الدائري وأهداف التنمية المستدامة 2030.
وجزء من هذا المشروع مرتبط ببرنامج المنح الدراسية لطلبة الدراسات العليا التابع للصندوق القطري لرعاية البحث العلمي، بعنوان "استخراج الليثيوم من مياه البحر باستخدام أنظمة إزالة التأيين بالسعة الغشائية باستخدام مواد بطاريات أيونات الليثيوم المستهلكة" ، حيث يتمحور هذا المشروع في دراسة أهمية تأسيس الاقتصاد الدائري المُستدام والدائم لعنصر الليثيوم لتأمين الاحتياج الدائم له.
وتجدر الإشارة إلى أن الفريق العلمي يتكون من د. دونغ سوك هان، أستاذ مشارك باحث، مركز المواد المتقدمة - جامعة قطر) الباحث الرئيسي ، د. لينا السليطي، أستاذ مشارك في الرياضيات والإحصاء والفيزياء، كلية الآداب والعلوم - جامعة قطر (باحث رئيسي مشارك)، د. زبير أحمد، رئيس قسم تطوير النماذج والنشر، مركز جامعة قطر للعلماء الشباب - جامعة قطر (باحث رئيسي مشارك)، أ.د. هو كيونغ شون، أستاذ الهندسة المدنية والبيئة في جامعة التكنولوجيا في سيدني - أستراليا (باحث رئيسي مشارك)، أ.د. يوان تشين، أستاذ الهندسة الكيميائية وهندسة الجزيئات الحيوية في جامعة سيدني - أستراليا (باحث رئيسي مشارك)، م. جيليرمو هيجوس جاجو، مدير العمليات والصيانة لشركة أكسيونا أجوا المسؤولة عن الشرق الأوسط – قطر، د. فاطمة سيفاني زفاير، باحث الدكتوراه في المشروع، مركز المواد المتقدمة - جامعة قطر، تسنيم المكي، مساعد باحث في المشروع، وطالبة ماجستير في برنامج علوم المواد والتكنولوجيا، كلية الآداب والعلوم - جامعة قطر.