551
Уявіть собі: щоб забезпечити людство енергією на десятки тисяч років, не потрібно копати нові шахти — достатньо опрацювати мізерну частку океану. За оцінками дослідників з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL), лише 0,1% світової морської води містить стільки критично важливих елементів, що цього вистачило б для енергетичних потреб людства на 50 000 років. Тепер вони пропонують перетворити океан на «рідку руду» й уже тестують технології, як це зробити без традиційних шахт.
Про ці розробки докладно розповідає видання New Atlas, посилаючись на результати команди PNNL.
Що відомо коротко
- Лише 0,1% морської води теоретично містить досить елементів, щоб живити енергетику людства приблизно 50 000 років.
- Команда PNNL навчилася видобувати з морської води та її похідних магній, літій, нікель, платинові та рідкісноземельні метали.
- Новий ко-флоу реактор дає змогу отримувати <strongвисокочистий гідроксид магнію з морської води, скорочуючи щонайменше чотири стадії класичного процесу Dow.
- Концентрований розсіл з опріснення перетворюють на кислоту й луг, а «відходи»-кислоту використовують для вилуговування нікелю з гірських порід.
- Морські водорості здатні накопичувати окремі метали в концентраціях до мільйона разів вищих, ніж у навколишній воді, і їх розглядають як «живих колекторів» мінералів.
Як океан перетворюється на «рідку руду»
Морська вода виглядає як прозора рідина, та з хімічної точки зору це суперкоктейль з розчинених солей і мінералів. У ній є і магній, нікель, літій, рідкісноземельні елементи, і навіть уран. Проблема в тому, що більшість цих речовин там у надзвичайно малих концентраціях.
Дослідники наводять яскравий приклад: об’єм води з <strongолімпійський басейн (приблизно 600 000 галонів, або понад 2,2 млн літрів) містить усього 0,42 кг літію і лише 0,00095 кг нікелю — менше за вагу скріпки. Здавалося б, ганяти такі обсяги заради «крихт металів» безглуздо.
Втім, той самий басейн міститиме вже близько 2 980 кг магнію — це приблизно стільки, скільки важить великий вантажний пікап типу Ford F-250. Саме з магнію команда PNNL і почала: він у морській воді досить концентрований, а попит на нього у промисловості великий.
Ідея PNNL схожа на підхід «нічого не викидати»: з одного й того ж потоку морської води хочуть отримати і корисні метали, і реактиви для гірничої промисловості, і навіть стимулятори росту для мікроводоростей.
Новий спосіб видобувати магній без зайвих кроків
Традиційно магній з морської води добувають через складний ланцюжок операцій, відомий як процес Dow: додають вапно, осаджують гідроксид магнію, далі переводять його в іншу сіль, проводять електроліз тощо. Це довго, енерговитратно й заточено саме під магній.
Команда PNNL запропонувала інший підхід. У спеціальному ко-флоу реакторі морська вода тече поряд із потоком лугу (наприклад, розчину гідроксиду натрію). На вузькому кордоні між цими двома потоками іони магнію з морської води реагують з гідроксид-іонами, утворюючи твердий гідроксид магнію.
У міру випадіння осаду він формує тонкий «бар’єр», який обмежує змішування й не дає кальцію з морської води потрапляти в осад. Свіжа рідина постійно проходить через зону реакції, система не встигає «зрівноважитися», і в результаті реактор видає високочистий гідроксид магнію без додаткових стадій відокремлення кальцію, характерних для процесу Dow.
На цьому етапі дослідники зупиняються: гідроксид магнію вже сам по собі є затребуваним промисловим продуктом, який США нині переважно імпортують. PNNL стверджує, що їхня запатентована схема прибирає щонайменше чотири стадії з історичного маршруту виробництва.
Щоб не будувати окремі гігантські станції для перекачування морської води, пропонується «прикручувати» такі модульні реактори до існуючих прибережних станцій опріснення, які й так пропускають крізь себе колосальні обсяги. Моделювання на прикладі станції в Карлсбаді (Каліфорнія), яка обробляє близько 108 млн галонів морської води на добу, показало: за 100% вилучення магнію це могло б давати приблизно 524 тис. кг гідроксиду магнію на день — утричі більше за поточне споживання США.
Як «відходи» опріснення перетворюються на корисну кислоту й луг
Після вилучення магнію вода все одно може пройти через стандартне зворотне осмосне опріснення і дати прісну воду. Залишається концентрований розсіл, який зазвичай сприймають як проблему утилізації.
PNNL пропонує інше: пропускати цей розсіл через систему біполярного мембранного електродіалізу (BPMED). Під дією електрики й спеціальних мембран надсолона суміш розділяється на кислотний і лужний потоки. Лужний можна повертати назад у море, а кислотний — використати як цінний ресурс.
Вчені застосували цю «відхідну» кислоту як вилуговувальний реагент для олівіну — досить поширеного зеленуватого мінералу, що містить домішки нікелю. Зразки олівіну з усього 0,27% нікелю при обробці кислотою з BPMED-встановлення віддали на 37% більше нікелю, ніж при використанні комерційної соляної кислоти тієї ж концентрації.
Тобто побічний продукт розділення морської води не просто утилізується — він виявився ефективнішим інструментом для гірничої промисловості, ніж стандартні реактиви.
Морські водорості як «живі фільтри» для металів
Третій напрям роботи PNNL звучить іще більш незвично: видобувати метали з морських рослин. Дослідники з’ясували, що деякі види морських водоростей здатні накопичувати критичні елементи з навколишньої води у своїх тканинах у фантастичних концентраціях.
За словами ботаніка Скотта Едмундсона (Scott Edmundson), окремі елементи трапляються в біомасі водоростей у кількостях до мільйона разів вищих, ніж у воді навколо. Виходить своєрідна жива «губка» для металів: океан розбавляє, а водорості концентрують.
Щоб дістати ці елементи, зібрані водорості подрібнюють у вологу пасту, додають кислотний розчин і нагрівають, розриваючи хімічні зв’язки в тканинах. Поки що команда ставить собі за мету відновлювати не менш ніж 50% металів, але досягти цього ефективно ще складно — роботи на цьому напрямі перебувають на ранній стадії.
Паралельно досліджують, як перетворювати залишкову біомасу водоростей на хімікати, паливо й добрива, щоб ланцюжок переробки був максимально безвідходним.
Кислота як добриво для мікроводоростей
Ту саму кислотну фракцію з BPMED, яку вже випробували для вилуговування нікелю, протестували й у ще одному, зовсім іншому сценарії. У окремому експерименті її додавали до культур швидкорослих мікроводоростей.
Кислота робила розчинений у морській воді вуглекислий газ доступнішим для фотосинтезу, і мікроводорості росли приблизно утричі швидше. Ці мікроводорості не є «колекторами металів», тож цей напрям безпосередньо не пов’язаний із видобутком мінералів, але демонструє ще одного потенційного «споживача» побічного продукту.
Які обмеження й питання залишаються
Попри вражаючі приклади, досі йдеться про лабораторний і демонстраційний масштаб. PNNL справді вдалося виділити магній, літій, нікель, платинові та рідкісноземельні метали з морської води або створених з неї реагентів, але економічно життєздатного промислового «океанського рудника» поки не існує.
Залишаються й великі екологічні питання: як вплине масовий забір і повернення обробленої води на морські екосистеми, що робити з надконцентрованим розсолом, як уникнути локального засолення чи закислення, як мінімізувати вплив на морських організмів на вході системи.
Особливо ранньою виглядає робота з водоростями: щоб вона запрацювала у великих масштабах, доведеться розгорнути їх вирощування, збирання та переробку на гігантських площах.
Попри це, дослідники продовжують рух до комерційної реалізації своїх технологій, розглядаючи їх як взаємодоповнювані частини майбутньої інфраструктури «видобутку з океану».
FAQ
Це вже готова технологія чи лише концепція?
Рішення PNNL випробувані на лабораторному та демонстраційному рівні: окремі метали з морської води й розсолу реально отримано. Водночас і економіка процесів, і вплив на довкілля ще не відпрацьовані до рівня великої промислової установки.
Чому раніше просто не почали масово «копати океан»?
Головний бар’єр — надзвичайно низькі концентрації більшості цінних елементів у морській воді. Видобувати їх прямим осадженням чи фільтрацією означало б колосальні витрати енергії та грошей. Нові підходи PNNL намагаються обійти це, поєднавши кілька процесів відразу й використовуючи побічні продукти як ресурси.
Чи допоможе це зменшити залежність від традиційного гірничого видобутку?
Якщо технології вдасться масштабувати й зробити рентабельними, вони можуть частково замінити видобуток деяких металів у шахтах, особливо магнію. Але поки що це потенційне доповнення, а не повна альтернатива класичній гірничій галузі.
Наскільки екологічно безпечним може бути такий видобуток?
Це відкрите питання. Автори роботи визнають, що теми розподілу солей, викиду лугу й кислот, впливу на біоту на вході й виході систем поки що не розв’язані повністю. Для запуску великих проєктів доведеться детально моделювати й тестувати вплив на морські екосистеми.
Ідея перетворити океан на джерело металів для енергетики й високих технологій показує, що корисні копалини — це вже не лише те, що лежить у надрах. Завдяки таким підходам межа між «рудником», «фабрикою» й «очисною станцією» стає розмитою, а самі відходи все частіше перетворюються на ресурс у ще складнішому, але й розумнішому техногенному кругообігу.
Крихітна частка океану може живити енергією людей 50 тисяч років з’явилася спочатку на Цікавості.
