کانی شناسی لیتیوم

مقدمه

تقاضا برای لیتیوم در دهه گذشته به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته است؛ زیرا آن را تبدیل به کلیدی برای توسعه محصولات صنعتی، به خصوص باتری برای دستگاه‌های الکترونیکی و وسایل نقلیه الکتریکی کرده است. فن‌آوری‌های جدید به سرعت تولید و مصرف مواد و منابع انرژی می‌کنند.

به طور کلی، تکنولوژی‌ها پیچیده‌تر می‌شوند، و تولیدات از ابزار‌های مورد استفاده برای مقاصد غیر قابل بازیافت و کمبود استفاده می‌کنند. در میان این مواد، فلزات کاربرد بالقوه مهم در فن‌آوری‌هایی مانند باتری‌های قابل شارژ برای وسایل نقلیه هیبریدی (خودروی هیبریدی) و الکتریکی، آهن ربا دائمی برای قطار‌های مغناطیسی، توربین‌های بادی و موتور و پنل‌های خورشیدی است. با وجودی که چنین فلزاتی در غلظت‌های پایین استفاده می‌شود، تقاضا به طور قابل ملاحظه‌ای افزایش یافته است، و در نتیجه نیاز به بازدهی و بازدارندگی باید مورد توجه قرار گیرد. برخی از این فلزات زمین‌شناسی کمیاب هستند و گاهی اوقات در غلظت‌های قابل بازیافت قابل استخراج نیستند.

در سال‌های ۲۰۰۰ تا ۲۰۰۷، تولید باتری‌های لیتیوم ثانویه به میزان ۲۵ درصد افزایش یافت. به عنوان مثال، باتری‌های ثانویه یون لیتیوم جایگزین باتری‌های NiMH (Hybrid NiMH) (باتری نیکل متال هیبرید) که در اولین وسایل الکتریکی تجاری جایگزین شده‌اند، زیرا تراکم انرژی بالایی دارند که عملکرد را بهبود می‌بخشد. تولید انبوه خودرو الکتریکی آغاز شد و انتظار می‌رود که از سال ۲۰۲۰ تا سال ۲۰۲۵. به میزان قابل توجهی بین ۳ تا ۱۰ درصد افزایش یابد.

افزایش نگرانی‌ها درمورد اثرات زیست محیطی و اطمینان از عرضه سوخت‌های فسیلی سبب ایجاد یک چرخش جهانی برای معرفی فن‌آوری‌های تحرک پایدار می‌شود. در دسترس بودن مواد مانند لیتیوم و عناصر خاکی کمیاب مورد نیاز برای این فناوری‌های جدید باید مورد توجه قرار گیرد. نسل جدید خودرو‌های هیبریدی (HEVs) مانند تویوتای پریوس و فورد هیوستر فیوژن از موتور‌های احتراق داخلی با باتری‌های نسبتاً کوچک، هیدرید نیکل (Ni-MH) استفاده می‌شود.

اتری‌های لیتیوم یون در هیبریدی‌های پلاگین (PHEVs) از قبیل شورلت ولت و فورد C-Max Energy و وسایل نقلیه باتری الکتریکی (BEV) مانند نیسان لیف و Ford Focus Electric استفاده می‌شود. باتری‌های لیتیوم یون (لیتیوم یون) سبک‌تر، کم حجم و کم مصرف‌تر هستند و ارزان‌تر از باتری‌های Ni-MH هستند.

کانی‌شناسی

ذخایر لیتیم در سرتاسر جهان شناخته شده‌اند، لیتیم یک کانی فرعی تقریباً تمام سنگ‌های نفوذی و همچنین خیلی از شورابه‌هاست. پنج کانی اصلی اسپودومن، لپیدولیت، پتالیت و آمبلی گونیت و یوکریپتایت (eucryptite) کانی‌های اصلی لیتیم دار می‌باشند که به شرح مختصری از آن‌ها می‌پردازیم.

اسپودومن

این کانی با فرمول شیمیایی (LiAlSi۲O۶) مهم‌ترین و همچنین کانی فراوان ذخایر لیتیم می‌باشد. ذخایر آن در شمال امریکا، شوروی سابق، برزیل، اسپانیا، قسمت‌هایی از آفریقا و آرژانتین قرار دارد. یک روش برای استحصال این کانی به وسیله حرارت تا ۱۱۰۰ درجه است که می‌توانیم اسپودومن آلفا را که شکل موجود آن در کانی است به فرم بتا که مقداری متراکم‌تر است تبدیل کنیم.

سپس با مخلوط کردن با اسید سولفوریک و حرارت دادن تا ۲۵۰ درجه سولفات لیتیم تولید می‌شود که برای مراحل بعدی استحصال مفید است. و سایر واکنش‌ها بر اساس روابط زیر است.

Li۲SO۴ + Na۲CO۳ → Na۲SO۴ + Li۲CO۳ (solid)

Li۲CO۳ + 2HCl → 2LiCl + CO۲ +H۲O

کلرید لیتیم دارای نقطه ذوب بالایی است (بیش از ۶۰۰ درجه سانتی گراد) بنابراین مخلوطی از ۵۵ درصد کلرید لیتیم و ۴۵ درصد کلرید پتاسیم تهیه می‌شود که در ۴۳۰ درجه ذوب می‌شوند و انرژی کمتری می‌برد و سپس الکترولیز انجام می‌شود.

Cathode : Li+(l) + e– → Li (l)

Anode : Cl–(l) → ۱/۲Cl۲ (g) + e–

این کانی دارای فرمول شیمیایی [KLi۲Al(Al، Si)۳O۱۰(F، OH)۲] است. این ذخایر در کانادا و قسمت‌هایی از آفریقا وجود دارد، گاهی این کانی به همراه سزیم و روبیدیم است، این کانی هم شبیه اسپودومن می‌تواند استحصال شود.

پتالیت

این کانی دارای فرمول شیمیایی (LiAlSi۴O۱۰) است که ذخایر آن در قسمت‌هایی از افریقا و سوئد قرار دارد.

آمبلی گونیت

به عنوان یک کانی فرعی و ثانویه لیتیم است که بیشتر از دریا‌ها و دریاچه‌ها مانند سیرلیک (کالیفرنیا امریکا) و دره کلی تون (نوادا امریکا) به دست می‌آید، [(Li,Na)AlPO4(F,OH)] با فرمول شیمیایی

یوکریپتایت (eucryptite)

این کانی با رابطه شیمیایی (LiAlSiO۴) شناخته می‌شود.

محیط پیدایش کانسنگ

ذخایر لیتیم از سه نوع اصلی تشکیل شده است: شورابه‌ها، پگماتیت‌ها و سنگ‌های رسوبی. طبق تحلیل‌های انجام شده، شورابه‌ها حاوی لیتیم ۶۶ درصد از منابع لیتیم جهان را تشکیل می‌دهد و سهم پگماتیت‌ها ۲۶ درصد و سنگ‌های رسوبی ۸ درصد است.

شورابه‌ها

شورابه‌ها، از آب‌های شوری هستند که محتوای بالایی از نمک‌های محلول دارند. آن‌ها به طور طبیعی در حفره‌های سنگی یافت می‌شوند که به صورت محلول در آب (دریاچه) یا نمک (اقیانوس) تحت تبخیر شدید قرار گرفته است. شایع‌ترین این محوطه برای آبسنگ‌های حاوی لیتیوم عبارتند از: دریاچه (دریاچه) پلایاها (نمک)، که از دانه‌های سنگی، سنگ‌ها و مواد معدنی تشکیل شده است.

تبخیر، لایه‌هایی را تشکیل می‌دهد که تقریباً به طور کامل از نمک‌ها تشکیل شده‌اند، معمولاً هالیت (NaCl). به نظر می‌رسد لیتیم، که جزء مهم اما مهم محلی این نمک‌ها است، از تخریب سنگ‌های اطراف پلایا‌ها و از چشمه‌های آب گرم که آب را به پلایا‌ها می‌دهند و حاصل شده است. از چاه‌ها که به لیتیم رساننده رسوب (آبخوان) نفوذ کرده و به مخزن تبخیر کم عمق وارد می‌شود، جایی که تحت شرایط کنترل شده تبخیر می‌شود که عناصر مضر و ترکیباتی را حذف می‌کند، عمدتاً منیزیم و سولفات است.

در اکثر موارد، شورابه‌های حاوی بالاترین غلظت لیتیم در شیلی، آرژانتین، چین و تبت است. نمک در این رسوبات نیز حاوی مقادیر زیادی از عناصر مفید دیگر، از جمله پتاسیم و بور است که برخی از هزینه‌های پمپاژ و فرآوری نمک را جبران می‌کند. پتاسیم عمدتاً به عنوان کود (پتاس) مورد استفاده قرار می‌گیرد و هنگامی که از شورابه‌ها تولید می‌شود، معمولاً کلرید پتاسیم را می‌گیرد.

غلظت متوسط لیتیم در منابع نمکی مور از حدود 014٪ در Salar de Atacama، در شمال شیلی، تا 0/02٪ در Silver Peak، نوادا متفاوت است. علاوه بر داشتن بیشترین میزان تمرکز لیتیم در آب نمک خود Salar de Atacama در ۳۰۰۰ کیلومتر مربع نیز بزرگترین ذخایر تولیدی است.

سالار دیاتاکاما (salar de Atacama) بزرگترین تولید‌کننده کربنات لیتیوم (Li۲CO۳ ) با 40.000 و 25.000 تن از Li۲CO۳ در سال ۲۰۰۸ از عملیات متعلق به Sociedad Quimica y Minera (SQM) و Rockwood Holdings Inc. به ترتیب، این مقدار به بیش از 12.000 تن تولید فلز لیتیم، بیش از نیمی از تولید کل در جهان 22.800 تا 25.400 تن لیتیم در سال ۲۰۰۸ است.

ما تأیید کردیم که آتاکاما در محل (در زمین، قبل از استخراج و تلفات پردازش) منابع لیتیوم حداقل 6/3 میلیون تن است، Zabuye در چین، جدیدترین تولید‌کننده است. این مساحت ۲۴۳ کیلومتر مربع است، غلظت لیتیوم در حدود 0/07 درصد، منابع تخمین‌زده شده از لیتیوم ۱. ۵۳ میلیون تن و ظرفیت تولید ۷۵۰۰ تن Li۲CO۳ در سال ۲۰۰۴ است. Silver peakدر نوادا، پایین‌ترین غلظت لیتیم هر ماده معدنی که در حال حاضر تولید می‌شود، حدوداً 0/02٪ پس از ۴۰ سال فعالیت دارد و این منابع لیتیم تخمین‌زده شده از 0/3 میلیون تن است.

در میان ذخایری که هنوز به تولید نرسیده است، Salar de Uyuni بولیوی از منابع عالی برخوردار است. طبق نظر کمیبول (۲۰۱۰)، دو سوراخ حفاری نشان دهنده وجود ۱۱ لایه نمک و نمک با تخلخل لیتیم است که در مجموع ۱۷۰ متر ضخامت دارد. اگرچه شورابه Uyuni دارای غلظت لیتیم متوسط نسبتاً پایین است، حدود 005 درصد حجم زیادی از نمک معدنی نشان دهنده کل منابع احتمالی 10/2 متری لیتیم یا ۲۷ درصد از منابع لیتیم در سطح جهان است.

این که آیا این لیتیم را می‌توان به صورت اقتصادی تولید کرد، تا زمانی که بارگیری در لیتیم را تعیین می‌کند، مجدداً تعویض شود و ثابت شود که فرآوری می‌تواند با سطح بالایی از منیزیم مقابله کند. نمک‌ها نیز در مخازن نفت عمیق یافت می‌شوند و بعضی از آن‌ها در لیتیم غنی شده‌اند. بهترین شناخته شده‌ترین آن‌ها از آب نمک در سازند Smack-over در ساحل خلیج فارس از ایالات متحده است.

نمودار زیر متوسط عیار در شورابه‌ها را نشان می‌دهد

پگماتیت‌ها

ذخایر پگماتیت، سنگ‌های آذرین درون‌زا هستند که از کریستالیزاسیون ماگما در عمق پوسته تشکیل شده است. پگماتیت‌ها می‌توانند مقادیر قابل استخراج لیتیم، قلع، تانتالم، نایوبیوم، بریللوم و سایر عناصر را شامل شوند.

لیتیم در پگماتیت‌ها معمولا در اسپودومن معدنی وجود دارد (LiAlSi۲O۶)، گرچه ممکن است در پتالیت (LiAlSi۴O۱۰)، لپیدولیت [KLi۲Al(Al,Si)۳O۱۰(F,OH)۲]، آمبلی گونیت [ (Li,Na)AlPO۴(F,OH)] و یوکریپتایت (LiAlSiO۴) وجود داشته باشد.

برای تولید کربنات لیتیم از اکثر پگماتیت‌ها، یک کنسانتره حاوی مواد معدنی حاوی لیتیم از سنگ معدن آهن، معمولاً توسط فلوتاسیون استفاده می‌شود. مواد معدنی – Con سپس با استفاده از لیتیم به محلول ریخته می‌شود و در موارد گرم به آن ریخته می‌شود و از آن معمولاً به عنوان لیتیم کربنات رسوب می‌شود. سنگ زنی، حرارت دادن و حل شدن، با توجه به این که لیتیم در پگماتیت‌ها نسبت به آب معدنی بسیار بالاتر است، اما در جایی که به اندازه کافی بالا باشد، هزینه‌های اضافی را جبران می‌کند.

هزینه تولید کربنات لیتیم را تخمین زد fr آب شور در قیمت 1/10 تا 1/65 دلار در هر کیلوگرم (کیلوگرم) Li۲CO۳ در Atacama و Silver Peak، نوادا، ۳ به ترتیب در مقایسه با 2/43 دلار در هر کیلوگرم لیتیم کربن برای تولید اسپودومن در شهر بیسرم کارولینای شمالی است. علاوه بر لیتیوم، برخی از عملیات پگماتیت قلع و تانتالم و همچنین فلدسپات و میکا را تولید می‌کنند که می‌تواند به کاهش هزینه‌های پردازش کمک کند.

لیتیم در حال حاضر از حداقل ۱۳ ذخایر پگماتیت (کلارک و هاربین ۲۰۰۹) استخراج می‌شود و به طور گسترده‌ای توسعه یافته است. بزرگترین تولید‌کننده اسپودومن پگماتیت در Greenbushes استرالیا دارای منابع قابل توجهی ازلیتیم به مقدار 560.000 تن لیتیم در سنگ معدن با غلظت حدود1/6٪ لیتیم است.

ذخائر پگماتیت تولید شده با کمترین غلظت لیتیم ۰/۵۹٪ در جیکا چین است که برآورد ما دارای منابع ۲۰۴.۰۰۰ تن لیتیم در سنگ معدن است. در ایالات متحده، روسیه و استرالیا، برخی از عملیات پگماتیت با غلظت لیتیم کم، هنگامی که ذخایر شورای سواحل آمریکا در دهه ۱۹۸۰ و ۱۹۹۰ به پایان رسید، متوقف شد. به عنوان مثال، کینگس کوه و سپیدمونه پگماتیت چریریویل در شمال کارولینای شمالی، با میانگین نمرات ۰/۶۹٪ و ۰/۶۵٪ لیتیوم، به ترتیب در سال ۱۹۹۱ بسته شده‌اند با وجود این واقعیت که منطقه دارای منابع تخمین‌زده شده بیش از ۵ میلیون تن از لیتیم میانگین غلظت منابع اصلی پگماتیت در شکل زیر ارائه شده است.

سنگ‌های رسوبی

لیتیم نیز در چندین سنگ رسوبی وجود دارد، از جمله تبخیر‌های رس و دریاچه. در رسوبات رس، لیتیم جزء مواد معدنی رس، مانند اسمکتیت است که از طریق پردازش آن باید جدا شود. Hectorite، Li) ۳Si۴O۱۰ (OH) ۲]، (Mg] یک نوع اسمکتیت است که غنی از منیزیم و لیتیم است. بهترین هیدروژن شناخته شده، حاوی 0/7٪ لیتیم، در هکتور کالیفرنیا است و هتروتیت متعلق به لیتیوم تحمل می‌شود برای کاربرد کلاسیک و دیگر موارد.

یکی دیگر از، اخیراً مورد بررسی هکتوریت Kings Valley، نوادا است؛ این شامل حدود 48/1 میلیون تن از منابع “هیکوتیت” نشان داده شده است که 0/27درصد لیتیوم و 42/3 میلیون تن از منابع “تعریف شده” درجه‌بندی 0/27 درصد لیتیوم (WLC ۲۰۱۰b) را ارزیابی می‌کنند. دره جادار، در صربستان، حاوی رسوبات تبخیری لاوروئیدی حاوی ژادات [LiNaB۳SiO۷ (OH)] است که معدنی جدید شناخته شده حاوی لیتیم و بور است. یک منبع ناخالص 114/6 متری سنگ جادات، حاوی 1/8٪ اکسید لیتیوم (Li۲O) برای این رسوب گزارش شده است (Rio Tinto ۲۰۱۰) امکان سنجی استخراج لیتیم از این رسوبات در این زمان مشخص نیست.

برای خواندن مقالات بیشتر به سایت زمین هوش مراجعه کنید.