Вчені працюють над новаторськими способами отримання життєво важливих металів із морських вод.
Море / © Unsplash
Науковці виявили, що значна частина світового океану містить запаси ключових елементів, здатних забезпечити людство енергією на величезний період часу. Дослідники розробляють передові методи для вилучення магнію, літію та нікелю безпосередньо з морської води.
Про це повідомляє видання New Atlas.
Фахівці з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США (PNNL) досліджують три різні технології та процеси, спрямовані на підвищення практичності видобутку корисних копалин з морської води. Деякі з цих методів можуть навіть трансформувати морську воду на своєрідний “інструмент” для традиційної гірничодобувної галузі.
-
Один із розроблених підходів дозволяє безпосередньо отримувати гідроксид магнію з морської води, минаючи кілька складних етапів, які зазвичай задіяні в традиційних технологіях.
-
Інший метод передбачає використання концентрованого розсолу, що залишається після опріснення. Цей розсіл перетворюють на кислоти та луги, які потім застосовуються як вилуговуючі реагенти для екстракції металів із наземних руд.
-
Третій підхід полягає у використанні морських водоростей, здатних концентрувати мінерали, концентрація яких у воді є надто низькою для економічно вигідного видобутку традиційними методами.
Які елементи вчені вже змогли отримати з морської води?
Завдяки впровадженню цих технологій, спеціалісти PNNL вже успішно отримали магній, літій, нікель, метали платинової групи та рідкісноземельні елементи — безпосередньо з морської води або з використанням хімічних речовин, отриманих із неї.
Морська вода містить значні запаси критично важливих мінералів, включаючи магній, нікель, рідкісноземельні метали та літій. Хоча ця інформація може бути новою для багатьох, сама ідея видобутку таких ресурсів із морської води не є новою. Зокрема, Сполучені Штати протягом 50 років отримували магній із морської води, перш ніж у 1990-х роках перейти на імпорт. А вісім років тому, в рамках попереднього дослідження, науковці PNNL змогли видобути 5 г урану з морської води.
Основна складність полягає у надзвичайно низькій концентрації більшості критично важливих елементів. Через це їх видобуток часто стає економічно невигідним. Дослідники зазначають, що у 600 тис. галонів (2 271 247 л) морської води — об’ємі, достатньому для заповнення басейну олімпійського розміру — міститься лише 0,42 кг літію та 0,00095 кг нікелю. Це менше, ніж важить звичайна канцелярська скріпка.
Ситуація з магнієм зовсім інша. У такому ж об’ємі морської води міститься близько 2980 кг цього елемента. Для порівняння, це приблизно вага вантажівки Ford F-250 Super Duty Cargo Truck 2024 року. Тобто, це справді значний ресурс.
Плани дослідників щодо видобутку елементів з морської води
Технології вилучення магнію з морської води вже існують, проте вони є складними та передбачають багато послідовних етапів. Крім того, такі методи розроблені переважно саме для магнію. Науковці PNNL прагнуть розробити більш універсальні рішення, які спростять отримання магнію та одночасно дозволять вилучати інші цінні мінерали з того ж потоку води.
«Наша мета — максимізувати цінність на кубічний метр морської води, яку ми перекачуємо, і використовувати цю воду ефективно та відповідально. Ми можемо отримувати ці критично важливі матеріали з морської води. Проблема полягатиме в масштабуванні цих технологій, щоб вони стали економічно доцільними», — пояснила хімікиня та керівниця проєкту Чінмайї Суббан.
Проєкт щодо видобутку магнію
Концепція дослідників включає три окремі, але взаємопов’язані та потенційно інтегровані проєкти. Перший присвячений безпосередньо видобутку магнію.
Традиційно для отримання магнію використовується процес Доу. Це складна багатоступенева технологія, в рамках якої вапно, або оксид кальцію, застосовується для осадження гідроксиду магнію. Потім речовину обробляють соляною кислотою для отримання хлориду магнію, після чого проводять електроліз для виробництва металевого магнію. І це лише спрощений опис усього процесу.
У PNNL запропонували альтернативний підхід. Замість додавання вапна для утворення гідроксиду магнію, дослідники пропускають морську воду та лужний розчин, наприклад гідроксид натрію, паралельними потоками через спеціальний реактор. На вузькій межі між ними іони магнію реагують з гідроксид-іонами, утворюючи твердий гідроксид магнію.
Під час формування осаду він створює тонку перешкоду, яка запобігає подальшому змішуванню потоків і не дозволяє кальцію з морської води приєднуватися до осаду. Нова рідина безперервно проходить через реакційну межу до того, як система встигне досягти хімічної рівноваги. Завдяки цьому реактор може виробляти гідроксид магнію високої чистоти без додаткових етапів відділення кальцію, які потрібні після інтенсивного змішування в традиційному процесі Доу.
Науковці зупинилися саме на виробництві гідроксиду магнію, оскільки цей матеріал вже має комерційну цінність, а США наразі значною мірою залежать від його імпорту. За даними PNNL, запатентована технологія паралельних потоків дозволяє скоротити щонайменше чотири етапи порівняно з традиційним методом.
Розміщення модульних реакторів на узбережжі біля опріснювальних станцій
Щоб уникнути значних витрат на перекачування мільйонів літрів морської води лише заради видобутку мінералів, дослідники пропонують розміщувати модульні реактори на узбережжі поруч з опріснювальними станціями. Такі об’єкти вже перекачують значні обсяги морської води, тому їх можна було б інтегрувати в нову систему.
Інженерка з питань довкілля PNNL Брук Мартен змоделювала таку концепцію на прикладі опріснювальної станції Carlsbad у Каліфорнії.
«Станція Carlsbad щодня переробляє 108 мільйонів галонів морської води. При 100-відсотковому рівні вилучення магнію це дозволило б отримувати 524 000 кілограмів гідроксиду магнію щодня, що більш ніж утричі перевищує поточний рівень споживання гідроксиду магнію у Сполучених Штатах», — зазначила Мартен.
Утилізація висококонцентрованого розсолу
Після вилучення магнію вода могла б продовжувати проходити через систему зворотного осмосу, перетворюючись на прісну воду. Одночасно утворювався б висококонцентрований розсіл.
У традиційних системах опріснення такий розсіл зазвичай становить проблему з утилізацією: через надзвичайно високу концентрацію він потребує особливої обережності. Однак у концепції PNNL саме цей побічний продукт може стати частиною подальшого процесу.
Розсіл обробляють за допомогою електродіалізу з біполярними мембранами (BPMED). У цьому процесі електрика та спеціальні мембрани розділяють надзвичайно солоний розчин на кислий і лужний потоки. Лужний потік можна повернути в море, тоді як кислий побічний продукт використовується для наступного етапу видобутку.
У традиційній гірничодобувній промисловості кислоти застосовують для “вилуговування” металів — їх розчиняють із подрібненої гірської породи. Дослідники PNNL використали отриману кислоту для обробки олівіну — поширеного зеленуватого мінералу, який містить невелику кількість нікелю.
Олівін у цьому експерименті містив лише 0,27% нікелю. Однак після обробки відпрацьованою кислотою з демонстраційної установки BPMED за кімнатної температури дослідникам вдалося вилучити на 37% більше нікелю, ніж за допомогою комерційної соляної кислоти аналогічної концентрації.
Вилучення металів із морських рослин
Третій напрям роботи PNNL стосується вилучення металів із морських рослин. Науковці встановили, що морські водорості здатні накопичувати критично важливі мінерали з навколишньої води у своїх тканинах. У деяких випадках концентрація таких речовин у рослинах у багато разів перевищує їхній вміст у морській воді.
«Деякі критично важливі матеріали містяться в морських водоростях у концентраціях, що в мільйон разів перевищують їхню концентрацію в навколишній морській воді», — зазначив ботанік-дослідник Морської дослідницької лабораторії PNNL Скотт Едмундсон.
Для вилучення накопичених мінералів зібрані морські водорості спочатку подрібнюють до стану вологої пасти. Потім до неї додають кислий розчин для вилуговування та нагрівають суміш, щоб зруйнувати хімічні зв’язки, які утримують елементи в тканинах рослин. Дослідники спочатку поставили за мету вилучати щонайменше половину мінерального вмісту водоростей, однак у PNNL визнають, що стабільно досягати такого показника поки що складно.
Паралельно науковці шукають шляхи повторного використання залишкової біомаси водоростей — зокрема для виробництва хімічних речовин, палива та добрив. Потенційно, в цьому напрямку можуть бути корисними й інші подібні технології. Наприклад, Корейський інститут геонаук і мінеральних ресурсів розробив метод перетворення вологої кавової гущі на біопаливо, характеристики якого подібні до антрацитового вугілля.
Спосіб використання відпрацьованої кислоти
Окремий напрям досліджень стосується кислотного “відходу”, що утворюється під час процесу BPMED і вже знайшов потенційне застосування як вилуговуючий агент. В іншому експерименті фахівці PNNL додали кислий потік BPMED до культур швидкорослих мікроводоростей. Кислота зробила вуглекислий газ, розчинений у морській воді, більш доступним для фотосинтезу, завдяки чому мікроводорості почали рости приблизно втричі швидше.
Водночас цей експеримент безпосередньо не стосувався видобутку мінералів, оскільки використаний вид мікроводоростей не накопичує їх у своїх тканинах. Таким чином, дослідження радше продемонструвало ще один потенційний спосіб використання відпрацьованої кислоти.
У результаті, кілька команд PNNL працюють над окремими, але взаємопов’язаними напрямами, які можуть сформувати комплексну систему видобутку металів з морської води. Технологія паралельних потоків дозволяє отримувати комерційно цінний гідроксид магнію. Після цього, морську воду, що залишилася, можна опріснювати, розділяючи її на кислий і лужний побічні потоки.
Кислий продукт, своєю чергою, може використовуватися як вилуговуючий агент для отримання нікелю з олівіну — наземної гірської породи — або як добавка для стимулювання росту водоростей. Паралельно, дослідники продовжують вивчати можливості вилучення критично важливих мінералів безпосередньо з морських водоростей.
Технологія має низку суттєвих обмежень
Втім, ця технологія все ще має низку суттєвих обмежень. PNNL вже продемонструвала можливість отримання зазначених матеріалів у лабораторних умовах, але промисловий комплекс, здатний економічно вигідно видобувати мінерали з океанської води, поки що не створено.
Залишаються й екологічні питання. Серед них — можливі хімічні викиди, поводження з концентрованим розсолом, наслідки масштабного забору морської води та потенційний вплив на морські екосистеми. Дослідники визнають важливість цих проблем, однак комплексних рішень для них поки що немає.
Особливо ранньою залишається технологія, пов’язана з морськими водоростями. Для її масштабування знадобляться промислове вирощування, збір величезних обсягів біомаси та подальше ефективне вилучення з неї мінералів.
Попри всі ці виклики, міждисциплінарні проєкти PNNL мають значний потенціал. Наразі вони поступово розвиваються в напрямку, який у майбутньому може зробити технології видобутку ресурсів з морської води комерційно життєздатними.
До речі, інженери Гонконгського університету створили новий генератор MEG із катіонним гідрогелем, який виробляє електроенергію з вологи в повітрі навіть за низької вологості. Завдяки спеціальному градієнту концентрації солі пристрій забезпечує стабільну роботу без різких просідань напруги. Розробка має низький внутрішній опір, працює безперебійно понад 50 днів і здатна напряму живити розумні ґаджети та мінідевайси.
Коментарі Сортувати: Нові Старі Популярні Надіслати