نقطة تحول من النفايات إلى القيمة
أظهر الكيميائيون بجامعة رايس عملية رائعة تدمر في نفس الوقت مركبات PFAS السامة وتستخرج ليثيوم من درجة البطارية من المحاليل الملحية، مما يعالج اثنين من أكثر التحديات البيئية إلحاحاً في خطوة واحدة. نُشر البحث في مجلة Nature Water ويمكن أن يعيد تشكيل كل من معالجة النفايات الخطرة وسلسلة توريد الليثيوم.
طور الفريق، بقيادة الكيميائي James Tour والباحثة Yi Cheng، طريقة تستخدم الكربون المنشط المستنزف — المادة المستخدمة لتصفية PFAS من المياه الملوثة ورغوة مكافحة الحرائق — كمصدر لذرات الفلور. عادةً، يتم التعامل مع هذا الكربون المشبع كنفاية خطرة بمجرد وصوله إلى طاقته. رأى باحثو رايس أنه مورد لم يتم استغلاله.
كيف يعمل Flash Joule Heating
تركز العملية على Flash Joule Heating، وهي تقنية طورها مختبر Tour تُرسل نبضات كهربائية عالية الطاقة عبر المواد، مما يدفع درجات الحرارة فوق 1000 درجة مئوية في أجزاء من الثانية. عندما يتم مزج الكربون المنشط المحمل بـ PFAS مع محلول ملحي عالي الملوحة ويتعرض لهذه النبضات، ينقطع الحرارة الشديدة الروابط القوية بين الكربون والفلور سيئة السمعة التي تجعل PFAS مستمراً في البيئة.
بمجرد تحررها، تترابط ذرات الفلور الحرة مع كاتيونات الليثيوم الموجودة في المحلول الملحي، مما يشكل فلوريد الليثيوم. ثم طبق الباحثون خطوة تسخين ومضة ثانية عند درجات حرارة تتراوح بين 1676 و2260 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تبخير انتقائي لفلوريد الليثيوم بينما تبقى الشوائب الأثقل مثل فلوريدات المغنيسيوم والكالسيوم في الطور الصلب.
حققت هذه التقطير الومضي السريع نقاءً ملحوظاً بنسبة 99% مع معدل استرجاع 82% — كل هذا في بضع ثوان بدلاً من الأشهر المطلوبة بالطرق التقليدية لأحواض البخر.
أداء البطارية الفعلية المتحقق منها
ذهب الفريق إلى ما هو أبعد من إثبات المفهوم من خلال دمج فلوريد الليثيوم المستخلص في الإلكتروليتات القياسية لبطاريات ليثيوم أيون. أكدت الاختبارات الشاملة أن البطاريات التي تستخدم هذه المادة المعاد تدويرها طابقت أو تجاوزت الاستقرار والأداء من تلك التي تستخدم فلوريد الليثيوم المصدر بشكل تقليدي.
هذا التحقق حاسم للاعتماد التجاري. يتطلب مصنعو البطاريات مواد تلبي معايير نقاء صارمة، وتوفر عملية رايس ذلك مع تقديم مزايا بيئية كبيرة على تعدين الليثيوم التقليدي.
حل مشكلتين في نفس الوقت
يتضمن استخراج الليثيوم التقليدي من المحاليل الملحية أحواض تبخير ضخمة تستهلك مليارات الجالونات من المياه في مناطق غالباً ما تكون جافة في أمريكا الجنوبية وأستراليا والصين. تستغرق العملية 12 إلى 18 شهراً وتترك تيارات نفايات مركزة. تعمل طريقة رايس في دقائق مع استهلاك أقل بكثير من المياه والطاقة.
في الوقت نفسه، تؤثر تلوث PFAS على آلاف المجتمعات في جميع أنحاء العالم. تقاوم هذه المواد الكيميائية متعددة الفلور وعالية الفلور التحلل الطبيعي وتتراكم في التربة والمياه الجوفية والكائنات الحية. تنتج معالجة حالية عشرات الأطنان من الكربون النفايات الخطرة التي يجب إحراقها أو دفنها. بتحويل هذه النفايات إلى مادة خام لإنتاج الليثيوم، تخلق عملية رايس قيمة اقتصادية من مسؤولية التخلص السابقة.
مع استمرار الطلب العالمي على الليثيوم في الارتفاع جنباً إلى جنب مع انتقال المركبات الكهربائية، وتكثيف الضغط التنظيمي على تلوث PFAS عبر الولايات المتحدة وأوروبا، يمكن لهذا النهج المزدوج أن يثبت أنه تحويلي لكلا الصناعتين.
تحديات القياس في الأفق
بينما النتائج المخبرية واعدة، إلا أن تحسيس Flash Joule Heating إلى أحجام صناعية يقدم تحديات هندسية. تتطلب التقنية التحكم الدقيق بالنبضات الكهربائية ونوافذ درجة الحرارة، وتعتمد توافر الكربون المشبع بـ PFAS على معدل جهود معالجة المياه. مع ذلك، يعتقد الباحثون أن الأساسيات سليمة للتطوير التجاري، والحوافز الاقتصادية — تدمير النفايات الخطرة بينما ينتج سلعة عالية القيمة — محاذاة بطرق يمكن أن تجذب شركاء صناعيين.
تستند هذه المقالة إلى تقرير من Interesting Engineering. اقرأ المقالة الأصلية.
