Американские ученые приступили к созданию методов извлечения ценных ресурсов из морской воды. Они выяснили, что всего в 0,1% океанской жидкости находится столько необходимых минералов, что их хватит для нужд человечества на 50 000 лет. Данную методику реально объединить с уже действующими береговыми опреснительными системами.
Ирина Петрова
Исследование подводных глубин. Иллюстративное фото. Источник: nationalgeographic.com
Сотрудники Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) утверждают, что Мировой океан — один из крупнейших неосвоенных источников важных элементов. Среди них литий, магний, марганец, кобальт и редкоземельные металлы, без которых не обойтись в производстве электроники и «зеленой» энергетики.
При содействии Управления гидроэнергетики и гидрокинетики Министерства энергетики США группа исследователей разрабатывает способы выделения этих веществ из морской воды. Сама идея не нова: в годы Второй мировой войны Америка получала большую часть магния именно из океана, однако в 1990-х перешла на импорт.
«Всего в 0,1 процента морской воды достаточно магния, лития и других ключевых минералов, чтобы покрыть потребности цивилизации на 50 000 лет и даже больше», — подчеркнула океанограф-химик PNNL Джессика Кросс.
Магниевые и литиевые резервы мирового океана
Чинмайи Суббан, химик с докторской степенью из PNNL, отметила, что главная трудность при добыче ценных минералов из морской воды — их чрезвычайно низкая концентрация. Магния сравнительно много, а вот лития и никеля гораздо меньше. Поэтому инженерам приходится перерабатывать колоссальные объемы жидкости.
К примеру, в олимпийском бассейне объемом около 600 000 галлонов (2,3 миллиона литров) содержится примерно 6570 фунтов (2980 килограммов) магния, но всего 0,93 фунта (0,42 килограмма) лития и около 0,002 фунта (0,00095 килограмма) никеля.
«Главный плюс морской воды в том, что ее химический состав в среднем одинаков по всему миру, — пояснила Суббан. — Это означает, что мы можем создать технологию для одного района и без труда масштабировать ее для других мест».
Система, которую ученые Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории создали для извлечения магния из морской воды. Фото: Чинмайи Суббан/Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Источник: PNNL
Чтобы решить эту проблему, команда сконструировала проточно-смесительный реактор, где морская вода непрерывно взаимодействует с гидроксидом натрия. В зоне контакта двух жидкостей образуется очищенный гидроксид магния, который легко собрать.
Данный метод исключает несколько стадий химической переработки и завершается получением гидроксида магния — материала, широко востребованного в промышленности США, но в основном импортируемого.
Исследователи полагают, что модульную установку можно разместить рядом с существующими опреснительными станциями. Анализ инфраструктуры показал, что при внедрении этой технологии на калифорнийском заводе в Карлсбаде за сутки можно производить 1,16 миллиона фунтов (524 000 килограммов) гидроксида магния (при условии полного восстановления). Это более чем втрое превышает нынешнее годовое потребление в стране.
Ещё один важный аспект — локализация производства. Страны, не имеющие собственных рудных месторождений, но обладающие протяжённой береговой линией, получают шанс на ресурсную независимость. Для США, Китая, Японии и государств Персидского залива морская добыча может стать стратегическим резервом, снижающим зависимость от импорта редкоземельных металлов из ограниченного числа стран.
При этом модульные установки, напоминающие большие контейнеры, можно быстро развернуть в любом порту или прямо на плавучих платформах, адаптируя под местные нужды — от магния для авиации до кобальта для аккумуляторов.
А как быть с экологией?
Параллельно ученые ищут способы утилизировать все побочные продукты, возникающие при извлечении минералов. После выделения магния концентрированный рассол можно пропустить через биполярный мембранный электродиализ (BPMED). Этот процесс дает как кислотные, так и щелочные вещества, необходимые для дальнейшей обработки.
Вместо того чтобы избавляться от кислоты, группа показала, что она может оказаться эффективнее коммерческой соляной кислоты при добыче никеля из оливина. В лабораторных тестах кислота, полученная через BPMED, показала на 37 процентов большую эффективность при выщелачивании никеля по сравнению с обычными кислотами.
При биполярном мембранном электродиализе морская вода прокачивается через прибор, который с помощью электричества расщепляет воду и удаляет кислоту. Фото: Сара Левин/ Тихоокеанская северо-западная национальная лаборатория. Источник: PNNL
Оставшиеся отходы тоже могут найти применение: например, при выращивании морских культур. «Концентрация некоторых критически важных элементов в водорослях в миллион раз выше, чем в окружающей морской воде», — заявил в пресс-релизе Скотт Эдмундсон, магистр наук и ботаник-исследователь из Лаборатории морских исследований PNNL в Секиме.
Более ранние работы также показали, что слабокислая морская вода, полученная в процессе BPMED, способна ускорять рост водорослей. В будущем это позволит создать системы, которые одновременно будут извлекать минералы и производить химикаты, топливо, удобрения и биомассу.
И все же учёные подчёркивают, что океан — это не бездонный ресурс, а хрупкая система. Извлечение миллиардов тонн минералов, даже теоретически, может повлиять на её солевой баланс и биологические циклы. Поэтому все разработки сопровождаются экологическим моделированием: сколько воды можно «условно взять» без вреда для планктона, кораллов и рыб.
Ответ, по всей видимости, лежит в разумной пропорции — не пытаться вычерпать океан, а лишь забирать ту малую часть, которая ежегодно пополняется речным стоком и гидротермальной активностью. Если эти принципы будут соблюдены, человечество действительно получит доступ к практически неисчерпаемой кладовой, не жертвуя при этом здоровьем планеты.
Хотя технология пока сталкивается с инженерными и финансовыми трудностями, ученые уверены: данный подход способен обеспечить страну собственными, более экологичными поставками важнейших минералов.
Путь к промышленному внедрению будет тернистым
Однако, несмотря на очевидные перспективы, путь к промышленному внедрению этих технологий остаётся тернистым. Основным барьером является высокая энергоёмкость процессов: перекачка гигантских объёмов воды, работа электродиализных установок и химическая обработка требуют значительных затрат.
Чтобы сделать добычу рентабельной, учёные ищут способы интеграции с возобновляемыми источниками энергии — приливными электростанциями, плавучими солнечными батареями или ветрогенераторами, размещёнными прямо в море.
Кроме того, остро стоит вопрос утилизации огромных объёмов обессоленной воды — так называемого рассола, который при сбросе обратно в океан способен нарушить локальные экосистемы. Поэтому разработка замкнутых циклов, где каждый отход становится сырьём, — это не просто экономия, а экологическая необходимость.
Параллельно ведётся работа над повышением селективности сорбентов — материалов, способных улавливать из воды ионы конкретных металлов. Наноматериалы на основе оксидов титана или марганца уже продемонстрировали способность выборочно «вытягивать» литий даже при его ничтожной концентрации.
Если такие технологии удастся масштабировать, объём перерабатываемой воды снизится в десятки раз, а вместе с ним упадут и капитальные затраты. Именно в этом направлении исследователи видят ключ к коммерциализации: не просто добывать всё подряд, а точечно извлекать самые ценные компоненты, оставляя остальное в океане.