زمانی که مردم به شیمی فکر می‌کنند، تصویری که معمولاً به ذهن خطور می‌کند، انواع مایعات رنگی در فنجان‌ها، فلاسک‌ها و لوله‌های آزمایش در آزمایشگاه است. اما در عمل واقعی، شیمی می تواند شامل مواد در همه حالت ها باشد: مایعات، گازها و حتی جامدات.
دانشمندان در مرکز نوآوری مواد حیاتی (CMI)، به رهبری آزمایشگاه ملی ایمز در وزارت انرژی ایالات متحده، از زیرشاخه ای از شیمی به نام مکانیک شیمی استفاده می کنند که به معنای واقعی کلمه درک متعارف واکنش های شیمیایی را با استفاده از نیروهای مکانیکی که نوسان، واژگون می شوند، متزلزل می کند. برای شروع واکنش های شیمیایی، مواد جامد را تجزیه می کند. فرآیند جدید آنها، استخراج لیتیوم با دمای پایین مکانیکی، یا MELLT، یک راه حل خلاقانه برای افزایش و تنوع بخشیدن به عرضه لیتیوم ایالات متحده است.
لیتیوم یک عنصر با تقاضای بالا با ریسک زنجیره تامین مرتبط است. برای دستگاه های باتری با کارایی بالا مورد نیاز است باتری ها در فن آوری هایی مانند تلفن های همراه، دستگاه های پزشکی و وسایل نقلیه الکتریکی یافت می شود. همانطور که وسایل نقلیه الکتریکی محبوب تر می شوند، تقاضا برای لیتیوم افزایش می یابد. عنصر لیتیوم (Li) مورد نیاز برای تولید آنها باتری ها از دو منبع می آید: نمک و کانی های سنگ سخت. نمک های لیتیوم رسوباتی از آب های زیرزمینی شور هستند که لیتیوم محلول را در خود انباشته کرده اند. کانی اصلی سنگ سخت که حاوی لیتیوم است اسپودومن نام دارد. هر دو منبع به روش های استخراج متفاوتی نیاز دارند.
ایگور هلوا، دانشمند CMI و آزمایشگاه ایمز و سرپرست تیم پروژه، توضیح داد که استخراج لیتیوم از آب نمک یک فرآیند مقرون به صرفه است که بر تبخیر خورشیدی متکی است. اساساً چاه های کم عمق پر شده با آب نمک به طور مداوم در معرض هوای آزاد قرار می گیرند تا آب تبخیر شود. این منبع اصلی لیتیوم وارداتی و داخلی در ایالات متحده است.
روش فعلی استخراج لیتیوم از ماده معدنی اسپودومن از سنگ‌های سخت، انرژی بر است و گازهای گلخانه‌ای و جریان‌های زباله خطرناک تولید می‌کند. در این فرآیند سنگ معدنی دو بار گرم می شود. ابتدا در دمای 1050 درجه سانتیگراد (1976 درجه فارنهایت) شلیک می شود تا به حالتی مناسب تر برای پردازش شیمیایی برسد. در دور دوم، سنگ معدنی در حدود 250 درجه سانتیگراد (485 درجه فارنهایت) همراه با مواد شیمیایی پخته می شود تا یک ترکیب لیتیوم محلول در آب تشکیل شود. محصول لیتیوم به دست آمده کیفیت بالاتری نسبت به لیتیوم استخراج شده از آب نمک دارد.
هر دو روش چالش هایی را در بازار پر تقاضا برای لیتیوم ارائه می کنند. تولید آب نمک بیش از حد طول می کشد (12-24 ماه) و استخراج مواد معدنی از سنگ سخت انرژی زیادی مصرف می کند. علاوه بر این، آب نمک در مراحل مختلف فرآوری به مقادیر زیادی آب شیرین نیاز دارد، در حالی که استخراج مستقیم مواد معدنی محصولات جانبی سمی تولید می کند.
برای دور زدن این اشکالات و ایجاد یک فرآیند کارآمدتر، گروه Chlova از مکانیک شیمی استفاده کردند.
تایلر دل رز، عضو فوق دکترا در آزمایشگاه ایمز و یکی از اعضای تیم تحقیقاتی، می گوید: «مکانوشیمی یک تکنیک کم استفاده در روش های استخراج است. معمولاً برای شکستن ماده اولیه یا مخلوط کردن واکنش دهنده ها استفاده می شود، اما در موارد نادری برای تسهیل واکنش های شیمیایی استفاده می شود.
تمام واکنش های شیمیایی نیاز به انرژی دارند. این انرژی می تواند به اشکال مختلفی مانند گرما، نور یا الکتریسیته باشد. اما در مورد مکانیک شیمی از نیروهای مکانیکی ناشی می شود. هلوا گفت: نیروی مکانیکی باعث ایجاد عیوب ساختاری در سطح مواد جامد می شود. این عیوب به مکان‌های واکنشی تبدیل می‌شوند که در آن واکنش‌های شیمیایی می‌توانند سریعتر و آسان‌تر اتفاق بیفتند.»
با استفاده از این اصول، تیم Hlova MELLT را توسعه داد. در فرآیندی به نام آسیاب گلوله ای، قطعات جامد اسپودومن و یک ماده شیمیایی واکنش پذیر جامد مانند کربنات سدیم (Na)2CO3) در محفظه ای با توپ های فولادی قرار می گیرند. بادامک به طرق مختلف حرکت می کند و باعث ایجاد تنش برشی سریع و مکرر در بین مواد می شود. تنش مکرر در نهایت منجر به حالت های انرژی بالا در مواد شیمیایی می شود و باعث واکنش آنها با یکدیگر می شود. این واکنش ها منجر به ترکیبات لیتیوم محلول در آب می شود. این ترکیبات لیتیومی با شستشو با آب از محصول نهایی استخراج می شوند.
MELLT استخراج مواد معدنی از سنگ سخت را ساده می کند، انرژی کمتری مصرف می کند و جریان های زباله سمی را حذف می کند. MELLT همچنین بسیار سریعتر از روش های استخراج آب نمک است.
هلوا گفت: «مکانوشیمی رویکردی پایدارتر و سازگار با محیط زیست برای انجام واکنش‌های شیمیایی ارائه می‌کند. “این پروژه پتانسیل تنوع بخشیدن به زنجیره های تامین لیتیوم ایالات متحده، کاهش بحرانی بودن لیتیوم و هموار کردن راه برای آینده ای پایدار را ارائه می دهد.”
توسعه MELLT بخشی از یک تلاش مشترک بزرگتر است که توسط CMI شامل چندین آزمایشگاه ملی، دانشگاه ها و شرکای صنعتی برای کشف فرآیندهای جدید پالایش یا بهبود روش های موجود برای استخراج لیتیوم از منابع سنگ سخت و آب نمک پشتیبانی می شود.
تام لوگراسو، مدیر CMI گفت: «CMI برای ایجاد راه‌حل‌های نوآورانه برای مشکلات حیاتی زنجیره تأمین مانند این وجود دارد. این کار بخشی از این مأموریت است و فناوری‌هایی را برای صنایع آمریکایی فراهم می‌کند که برای تجاری‌سازی در دسترس هستند.»
این مرکز نوآوری مواد حیاتی یک مرکز نوآوری انرژی است که توسط آزمایشگاه ملی ایمز وزارت انرژی ایالات متحده با پشتیبانی دفتر مواد پیشرفته و فناوری های تولیدی دفتر بهره وری انرژی و انرژی های تجدیدپذیر (AMMTO) رهبری می شود. CMI به دنبال راه‌هایی برای تسریع توسعه فناوری‌های مواد حیاتی و بهبود خط لوله نوآوری برای زنجیره‌های تامین ایالات متحده با تسریع تحقیقات، آموزش نیروی کار متنوع و ایجاد فناوری‌های بدون ریسک و آماده تجاری با همکاری صنعت ایالات متحده است.
در 11 سال به عنوان مرکز وزارت انرژی ایالات متحده برای نوآوری انرژی برای مواد حیاتی، 21 فناوری CMI مجوز گرفته است. CMI دارای 646 نشریه و 51 پتنت است. CMI شش بسته نرم افزاری منبع باز توسعه داده است. برای همکاری با CMI یا مجوز فناوری آنها، با Stacy Joiner، CMI Partner Relations تماس بگیرید. [email protected] یا 515-296-4508.
آزمایشگاه ملی ایمز است وزارت انرژی آمریکا دفتر علوم یک آزمایشگاه ملی که توسط دانشگاه ایالتی آیووا اداره می شود. آزمایشگاه ایمز مواد، فناوری ها و راه حل های انرژی نوآورانه ایجاد می کند. ما از تخصص، توانایی های منحصر به فرد و همکاری بین رشته ای خود برای حل مشکلات جهانی استفاده می کنیم.
آزمایشگاه ملی ایمز توسط دفتر علوم وزارت انرژی ایالات متحده پشتیبانی می شود. دفتر علوم بزرگترین حامی تحقیقات پایه در علوم فیزیکی در ایالات متحده است و برای رسیدگی به برخی از مهم ترین چالش های زمان ما کار می کند. برای اطلاعات بیشتر لطفا مراجعه کنید به https://energy.gov/science.