406
Уявіть собі, що в океані навколо нас уже лежать запаси літію й магнію на 50 тисяч років уперед — і ми просто ще не навчилися їх зручно «діставати». Саме таку картину змальовують дослідники з Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії (PNNL), про роботу яких розповідає видання Interesting Engineering.
Що відомо коротко
- За оцінками вчених, 0,1 % морської води містить достатньо критично важливих мінералів, щоб забезпечити людство на 50 000 років.
- Океани є гігантським резервуаром літію, магнію, марганцю, кобальту та рідкісноземельних елементів, потрібних для електроніки та чистої енергетики.
- Команда PNNL розробила реактор співпотоку, який дозволяє безперервно видобувати з морської води магній у вигляді гідроксиду магнію.
- Модульну систему можна інтегрувати з існуючими прибережними опріснювальними станціями, наприклад, з об’єктом у Карлсбаді в Каліфорнії.
- Після видобутку магнію залишковий розсіл можна використовувати для отримання кислот і лугів, а також для підтримки вирощування морських водоростей.
Чому океан може стати «рудником», але не все так просто
На перший погляд здається: якщо в морській воді повно корисних елементів, чому ми досі не живемо на «океанічних батареях»? Проблема в тому, що ці мінерали розчинені в надзвичайно малих концентраціях. Це як намагатися зібрати цукор із чашки чаю, коли він уже повністю розчинився.
Хімік Чінмаї Суббан (Chinmayee Subban) з PNNL пояснює, що магній у морській воді ще відносно поширений, а ось літій і нікель — у слідових кількостях. Тому інженерам доводиться «прокачувати» через системи величезні об’єми води, щоб отримати помітну кількість цих елементів.
Водночас у океану є одна велика перевага: його хімічний склад доволі однорідний по всьому світу. Це означає, що технологію, відпрацьовану в одному місці, можна масштабувати й застосовувати в багатьох інших прибережних регіонах без повного перероблення під місцеві умови.
Скільки мінералів ховається в «басейні» морської води
Щоб уявити масштаби, дослідники наводять простий приклад. Візьмімо олімпійський басейн, заповнений морською водою — це приблизно 600 000 галонів, або близько 2,3 мільйона літрів.
У такому об’ємі води міститься приблизно:
- 2 980 кг магнію (близько 6 570 фунтів);
- лише 0,42 кг літію (0,93 фунта);
- і всього близько 0,00095 кг нікелю (0,002 фунта).
Тобто магнію — майже як у вантажівці з піском, а літію — як у невеликій пачці кави. Саме тому потрібні дуже ефективні технології, щоб такий видобуток мав сенс.
Як працює реактор для видобутку магнію з морської води
Команда PNNL створила так званий реактор співпотоку. У ньому морська вода безперервно контактує з розчином гідроксиду натрію (каустичної соди). На межі зустрічі двох рідин утворюється осад — гідроксид магнію високої чистоти, який можна зібрати.
Цей підхід дозволяє позбутися кількох традиційних стадій хімічної обробки й зупинитися саме на гідроксиді магнію — матеріалі, який широко використовується в промисловості США та нині у великих обсягах імпортується.
Система задумана як модульна, тобто її можна встановлювати поруч із уже існуючими опріснювальними станціями на узбережжі. Інфраструктурний аналіз показав, що інтеграція такої технології з опріснювальним комплексом у Карлсбаді (Каліфорнія) теоретично дозволила б отримувати до 524 000 кг гідроксиду магнію на день у разі повного вилучення. Це більш ніж утричі перевищує поточне добове споживання магнію в США.
Як перетворити відходи на ресурс
Після видобутку магнію залишається концентрований розсіл. Замість того щоб просто скидати його назад у море, дослідники шукають способи використати кожен побічний продукт процесу.
Наступний крок — пропустити цей розсіл через установку біполярного мембранного електродіалізу (BPMED). У ній морська вода під дією електрики розділяється з утворенням кислоти та лугу, необхідних для подальшої переробки мінералів.
Зазвичай кислоту після такого етапу вважали б відходом, але команда PNNL показала, що отримана в BPMED кислота може бути навіть ефективнішою за комерційну соляну кислоту для вилуговування нікелю з олівіну. У лабораторних тестах ця кислота виявилася на 37 % результативнішою, ніж звичайні промислові аналоги.
Решта побічних продуктів також може стати в пригоді — зокрема, для підтримки морського культивування. Дослідження показують, що деякі критично важливі елементи накопичуються в морських водоростях у концентраціях, що в мільйон разів вищі, ніж у навколишній воді.
Морські водорості як «живі концентратори» мінералів
Дослідник-ботанік Скотт Едмундсон (Scott Edmundson) з Морської дослідницької лабораторії PNNL у Сіквімі звертає увагу на ще один напрямок: використання морських водоростей. Вони працюють як природні «насоси», які витягують потрібні елементи з води й накопичують їх у своїх тканинах.
Попередні роботи показали, що злегка підкислена морська вода, яка виходить після процесу BPMED, може прискорювати ріст водоростей. Це відкриває можливість створення систем, де одночасно відбувається:
- видобуток мінералів з морської води;
- виробництво кислот і лугів для хімічної промисловості;
- вирощування водоростей для отримання палива, добрив, хімікатів і біомаси.
Таким чином, один і той самий потік морської води може давати одразу кілька корисних продуктів, зменшуючи кількість відходів і підвищуючи економічну доцільність усієї системи.
Що це означає для майбутнього критичних мінералів
Попри перспективність, технологія ще стикається з інженерними та вартісними бар’єрами. Потрібно здешевити обладнання, оптимізувати споживання енергії та довести, що такі системи можуть стабільно працювати в реальних умовах, а не лише в лабораторії.
Однак дослідники переконані: якщо ці труднощі подолати, морська вода може стати основою для більш стійкого та «домашнього» постачання критичних мінералів. Це зменшить залежність від імпорту та гірничодобувних проєктів на суші, які часто супроводжуються значним екологічним навантаженням.
FAQ
Це вже працююча технологія чи поки що лабораторний прототип?
Наразі йдеться про системи, які вже продемонстрували працездатність у лабораторних умовах і на пілотних установках. Повномасштабне промислове впровадження ще потребує доопрацювання, зокрема зниження вартості та адаптації до конкретних об’єктів опріснення.
Чи можна так само ефективно видобувати з морської води літій, як магній?
Магній у морській воді значно більш концентрований, тому його видобувати простіше. Літій присутній у набагато менших кількостях, тож для нього потрібні інші, ще ефективніші методи вилучення. Поточні розробки радше показують принцип і потенціал, ніж готове рішення для літію.
Чому вчені не почали масово видобувати мінерали з океану раніше?
Історично морська вода вже використовувалася, наприклад, для отримання магнію під час Другої світової війни. Однак із часом дешевший імпорт із родовищ на суші витіснив ці технології. Лише зараз, на тлі зростання попиту на батареї та «зелену» енергетику, інтерес до океанічних ресурсів знову різко зріс.
Чи не зашкодить такий видобуток екосистемам океану?
Це одне з ключових питань, на яке ще потрібно дати відповідь. Ідея інтеграції з опріснювальними станціями та максимального використання побічних продуктів якраз спрямована на те, щоб мінімізувати вплив на довкілля. Але повну екологічну оцінку можна буде зробити лише після випробувань на великих промислових об’єктах.
Якщо раніше океан здавався лише фоном для енергетичної революції, то тепер він дедалі більше виглядає її «прихованою шахтою» — гігантським, рівномірно розподіленим сховищем мінералів, яке може забезпечити наші батареї, електроніку й добрива на тисячі років уперед, якщо ми навчимося забирати з води потрібне, не руйнуючи саму планету.
Океанічна вода може забезпечити літієм людство на 50 тисяч років з’явилася спочатку на Цікавості.
