كيفية تطبيق مساحيق TiO₂ لتطوير نماذج أولية لامتصاص الليثيوم

1. ما هي مساحيق أكسيد التيتانيوم

تلعب مركبات ثاني أكسيد التيتانيوم (TiO₂) وتيتانات الليثيوم ( Li₂TiO₃) وتيتانات الهيدروجين (H₂TiO₃)، دوراً مهماً في علوم المواد المتطورة. تمتلك هذه المركبات كيمياء سطحية مميزة، وبنية بلورية، وخصائص التبادل الأيوني التي تجعلها مرشحة بشكل استثنائي للتطبيقات البيئية والطاقة والتطبيقات التحفيزية.

[1]

تتكون هذه المواد من طبقات تيتانات أو مواد شبيهة بالبيروفسكايت حيث يتم تنسيق أيونات التيتانيوم ثماني الأوجه بواسطة الأكسجين. يمتلك الهيكل مساحة خلالية واسعة قادرة على استيعاب أيونات الليثيوم. إن الإدخال والقذف العكسي لليثيوم دون انهيار شديد في البنية يجعل هذه المواد مستقرة للغاية في ظل الاستخدام المتكرر، وهي الخاصية الأكثر أهمية في استخدام البطاريات وكذلك في عمليات استعادة الليثيوم.

وبالإضافة إلى إمكانات التبادل الأيوني، فإن مساحيق أكسيد التيتانيوم صديقة للبيئة ومستقرة حراريًا وخاملة كيميائيًا - وهي صفات تجعلها خيارًا أخضر لتطوير نماذج أولية جديدة لامتصاص الليثيوم.

2. ما هي نماذج امتزاز الليثيوم الأولية

تشير النماذج الأولية لامتزاز الليثيوم إلى منصات أو أجهزة المواد الناشئة التي لديها القدرة على امتصاص أيونات الليثيوم (Li⁺) بشكل انتقائي من مصادر مختلفة مثل المحاليل الملحية أو مياه البحر أو مياه الصرف الصناعي. وتمثل هذه النماذج الأولية خطوة أساسية في البحث والتطوير لتقنيات استخلاص الليثيوم المستدامة، وهو مجال ذو أهمية متزايدة مع الطلب العالمي المتزايد بسرعة على بطاريات أيونات الليثيوم.

تقليدياً، كان الليثيوم يُصنع الليثيوم من خلال أحواض التبخير أو معالجة المعادن، وهي مكلفة من حيث الطاقة والبيئة. أما الاستعادة بالامتزاز فهي عملية أنظف. فهي تستخدم ممتزات انتقائية - وهي عوامل قادرة على جذب أيونات الليثيوم ولكنها ترفض الأيونات المنافسة الأخرى مثل الصوديوم أو البوتاسيوم أو المغنيسيوم.

وتشمل الأمثلة "النموذجية" لامتزاز الليثيوم ما يلي:

1. المواد الممتصة: عادةً ما تكون مادة ماصة: مرشح أيونات الليثيوم مصنوعة من التيتانات (على سبيل المثال، H₂TiO₃ أو Li₂TiO₃).

2. نظام التلامس: لتمكين التبادل الأيوني الفعال بين محلول الليثيوم والممتز.

3. آلية الاسترداد أو الامتزاز: لتجديد المادة الممتزة واستعادة الليثيوم المنقى.

يتم تضمين الاختبارات المعملية في ظروف خاضعة للرقابة، وتركيب المواد، والتعديل (على سبيل المثال، البروتنة أو التكليس) لتحديد معايير الأداء مثل الانتقائية والقدرة والثبات وكفاءة التجديد في عملية التطوير.

3. كيفية استخدام مساحيق أكسيد التيتانيوم لتطوير نماذج أولية لامتصاص الليثيوم

تشكّل مساحيق أكسيد التيتانيوم مثل Li₂TiO₃ (تيتانات الليثيوم) وH₂TiO₃ (تيتانات الهيدروجين) نواة مادة امتصاص الليثيوم بسبب خصائصها الانتقائية لامتصاص الأيونات. ويرد أدناه بروتوكول بحث وتطوير عام لإنشاء نموذج أولي عملي باستخدام هذه المساحيق.

الخطوة 1: تحضير المواد

لامتصاص الليثيوم، عادةً ما يتم تصنيع أو استلام Li₂TiO₃TiO₃ Li₂TiO₃ كمسحوق عالي النقاء مقسم بدقة ومضبوط حجم الجسيمات. يمكن بعد ذلك غسل المسحوق بالحمض لاستبدال أيونات الليثيوم جزئيًا بالهيدروجين، مما ينتج عنه H₂TiO₃. ويزيد هذا التغيير من قدرة المادة على امتصاص الليثيوم عن طريق إحداث فراغات في الشبكة البلورية، والتي يمكن ملؤها بعد ذلك بأيونات الليثيوم من المحلول.

التفاعل النموذجي:

Li₂TiO₃ + 2H⁺⁺ → H₂TiO₃+ 2Li⁺

قد يتم استخدام أي من الشكلين H₂TiO₃ أو Li₂TiO₃TiO₃ بناءً على ما إذا كانت الدراسة تتعلق بالامتزاز (H₂TiO₃TiO₃) أو تداخل/إزالة تداخل الليثيوم (Li₂TiO₃).

الخطوة 2: التوصيف الهيكلي والسطحي

قبل تصنيع النموذج الأولي، من الضروري فحص بنية المسحوق ومورفولوجية المسحوق من خلال XRD ( حيود الأشعة السينية)، وSEM (الفحص المجهري الإلكتروني بالمسح)، وBET (قياس مساحة السطح). تضمن هذه الإجراءات أن بنية التيتانات مستقرة وأن مساحة السطح والمسامية كافية للتبادل الأيوني الفعال.

وغالباً ما تعزز مجموعات الهيدروكسيل السطحية وفراغات الأكسجين قدرة امتصاص الليثيوم، وبالتالي يمكن للباحثين ضبط هذه الخصائص عن طريق تعديل ظروف التخليق (مثل درجة حرارة التكليس أو تركيز الحمض).

الخطوة 3: تصنيع النموذج الأولي

يمكن استخدام مسحوق أكسيد التيتانيوم المحضّر في مجموعة من تكوينات النماذج الأولية:

-أعمدة معبأة مملوءة بالمسحوق لاستخلاص الليثيوم المستمر.

-مركبات غشائية، مع جسيمات تيتانات مشتتة في مصفوفات بوليمرية للجمع بين القوة الميكانيكية والانتقائية الأيونية.

- الممتزات الحبيبية أو الحبيبية المصممة لسهولة المناولة وإعادة الاستخدام.

وتتمثل الأهداف الرئيسية في هذه المرحلة في التلامس الجيد بين المواد الصلبة والسوائل، والاستقرار الهيكلي الجيد، وانخفاض فقدان المسحوق عند الاستخدام.

الخطوة 4: اختبار امتزاز الليثيوم وامتصاصه

يتكون اختبار النموذج الأولي من وضع المادة الممتزة في المحاليل الحاملة لليثيوم (مثل المحاليل الملحية المحاكاة) وتتبع امتصاص الليثيوم بمرور الوقت.

المعلمات الرئيسية هي:

- سعة الامتزاز (ملغم ليثيوم ⁺/غرام من المادة الماصة)

- الانتقائية (Li⁺ مقابل Na⁺، K⁺، Mg²⁺)

- ثبات الدورة (تكرار الامتزاز والامتزاز)

بعد الامتزاز، تقوم خطوة إزالة الامتزاز - التي تتحقق عادةً بمساعدة الأحماض المخففة (مثل HCl) - بإطلاق أيونات الليثيوم مرة أخرى إلى المحلول لاستعادتها. يؤدي هذا أيضًا إلى إعادة تأسيس مرحلة H₂TiO₃TiO₃ لإعادة تدويرها عدة مرات.

الخطوة 5: تقييم الأداء والتحسين

يقيّم العلماء أداء النموذج الأولي بناءً على الكفاءة والانتقائية والمتانة الهيكلية. يتم تحسين الأس الهيدروجين ودرجة الحرارة والقوة الأيونية للمحلول لزيادة إنتاجية استرداد الليثيوم إلى أقصى حد. ويمكن أن تؤدي التحسينات الأخرى مثل التطعيم السطحي أو التطوير المركب بمركبات الكربون إلى تحسين حركية الامتزاز والمتانة الميكانيكية.

4. دراسة حالة SAM

يوضح السؤال الأخير الذي تلقته Stanford Advanced Materials (SAM) الاهتمام البحثي المتزايد بهذا الموضوع.

ملخص الحالة:

-المنتج: مسحوق الليثيوم تيتانات الليثيوم LM1301 (Li₂TiO₃) (الرقم في سجل المستخلصات الكيميائية 12031-82-2)

-العميل: شركة هندسية فرنسية

-التطبيق: إنتاج النماذج الأولية لامتصاص الليثيوم

سعى الباحث إلى الحصول على مساحيق أكسيد التيتانيوم وتحديدًا Li₂TiO₃ أو H₂TiO₃TiO₃ لفحص إمكانية استخدامها في امتزاز الليثيوم. ويُعد Li₂TiO₃TiO₃ مناسبًا بشكل جيد لهذا التطبيق بسبب بنيته المستقرة الشبيهة بالإسبنيل، وقابليته العالية للتبادل الأيوني، وعدم الإضرار بالبيئة.

يوفر مسحوق الليثيوم تيتانات الليثيوم LM1301من SAM:

-نقاوة عالية ومورفولوجيا جسيمات مضبوطة

-ثبات طور ممتاز أثناء دورات التبادل الأيوني

-تركيبة كيميائية منتظمة بما يكفي لتسهيل تطوير النموذج الأولي على نطاق المختبر

تسمح شركة SAM لشركات الطاقة والمؤسسات البحثية بالتحرك نحو طرق أنظف لاستعادة الليثيوم من خلال توفير أحدث المواد مثل LM1301. لا تتسم هذه النماذج الأولية بالكفاءة في استخلاص المزيد من الليثيوم من المصادر غير التقليدية فحسب، بل إنها نظيفة أيضًا عند مقارنتها بالتعدين التقليدي.

الخلاصة

تفتح مساحيق مركب التيتانيوم، وتحديدًا Li₂TiO₃ وH₂TiO₃TiO₃، الأبواب أمام تكنولوجيا امتصاص الليثيوم في المستقبل. إن ثباتها الكيميائي وانتقائيتها وهياكلها المستقرة تجعلها مواد ذات إمكانات كبيرة لاستعادة الليثيوم وتنقيته بشكل مستدام. ومن خلال التوليف المنهجي والتوصيف واختبار النماذج الأولية، يمكن للباحثين الاستفادة من هذه المواد للاستجابة للطلب العالمي المتزايد على تكنولوجيا تخزين الطاقة النظيفة.

المرجع:

[1] Sujoto, V.S.H., Prasetya, A., Petrus, H.T.B.M. وآخرون: مراجعة شاملة لاستخدام منخل الليثيوم-أيون الليثيوم القائم على التيتانيوم في المحلول الملحي الحراري الأرضي. J. Sustain. Metall. 10, 1959-1982 (2024). https://doi.org/10.1007/s40831-024-00933-z