Морська вода стане головним джерелом енергії майбутнього: що вигадали вчені

Вчені з’ясували, що невелика частка світового океану приховує запаси критично важливих елементів, здатних забезпечити людство енергією на 50 тис. років. Дослідники розробляють інноваційні технології для видобутку магнію, літію та нікелю безпосередньо з морської води.

Про це пише New Atlas.

Дослідники Тихоокеанської північно-західної національної лабораторії Міністерства енергетики США (PNNL) працюють над трьома різними технологіями та процесами, покликаними зробити видобуток корисних копалин із морської води практичнішим. Водночас деякі з цих підходів можуть перетворити морську воду на своєрідний «інструмент» для традиційної гірничодобувної промисловості.

• Один із розроблених методів дозволяє безпосередньо видобувати гідроксид магнію з морської води, обходячи кілька складних етапів, які зазвичай використовуються у традиційних технологіях.

• Інший передбачає застосування концентрованого розсолу, що залишається після опріснення: його перетворюють на кислоти та луги, які потім використовують як вилуговувальні агенти для вилучення металів із наземних руд.

• Третій підхід передбачає використання морських водоростей, здатних накопичувати мінерали, концентрація яких у воді надто низька для традиційного економічно вигідного видобутку.

Які елементи вчені уже змогли отримати з морської води?

Застосовуючи ці технології, фахівці PNNL уже змогли отримати магній, літій, нікель, метали платинової групи та рідкісноземельні елементи — безпосередньо з морської води або за допомогою хімічних речовин, вироблених із неї.

У морській воді містяться величезні запаси критично важливих мінералів, серед яких магній, нікель, рідкісноземельні метали та літій. Попри те, що для багатьох це може бути новиною, сама ідея видобутку таких ресурсів із морської води не є новою. Так, Сполучені Штати протягом 50 років отримували магній із морської води, перш ніж у 1990-х роках перейти на імпорт. А вісім років тому в межах попереднього дослідження науковці PNNL змогли вилучити з морської води 5 г урану.

Основна складність, однак, полягає у надзвичайно низькій концентрації більшості критично важливих елементів. Через це їхній видобуток часто виявляється економічно невигідним. Дослідники зазначають, що у600 тис. галонах (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.

Із магнієм ситуація зовсім інша. У такому самому 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 йдеться про справді значний ресурс.

Плани дослідників щодо видобутку елементів з морської води

Технології вилучення магнію з морської води вже існують, однак вони є складними та передбачають багато послідовних етапів. До того ж такі методи розроблені переважно саме для магнію. Науковці PNNL прагнуть створити універсальніши рішення, які спростять отримання магнію і водночас дозволять вилучати з того самого потоку води інші корисні мінерали.

«Наша мета — максимально збільшити кількість доларів на кубічний метр морської води, яку ми перекачуємо, і використовувати цю воду ефективно та відповідально. Із морської води ми можемо видобувати ці критично важливі матеріали. Проблема полягатиме в масштабуванні цих технологій, щоб вони стали економічно доцільними», — пояснила хімікиня та керівниця проєкту Чінмайї Суббан.

Проєкт щодо видобутку магнію

Концепція дослідників складається з трьох окремих, але взаємопов’язаних і потенційно інтегрованих проєктів. Перший присвячений безпосередньо видобутку магнію.

Традиційно для отримання магнію використовують процес Доу. Це складна багатоступенева технологія, у межах якої вапно, або оксид кальцію, застосовують для осадження гідроксиду магнію. Далі речовину обробляють соляною кислотою, щоб отримати хлорид магнію, після чого проводять електроліз для виробництва металевого магнію. І це лише спрощений опис усього процесу.

У PNNL запропонували альтернативний підхід. Замість того щоб додавати вапно 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 вступають у реакцію з гідроксид-іонами, у результаті чого утворюється твердий гідроксид магнію.

Під час формування осаду він створює тонкий бар’єр, який перешкоджає подальшому змішуванню потоків і не дозволяє кальцію з морської води приєднуватися до осаду. Нова рідина безперервно проходить через реакційну межу ще до того, як система встигає досягти хімічної рівноваги. Завдяки цьому реактор може виробляти гідроксид магнію високої чистоти без додаткових етапів відділення кальцію, які потрібні після інтенсивного змішування у традиційному процесі Доу.

Науковці зупинилися саме на виробництві гідроксиду магнію, адже цей матеріал уже має комерційну цінність, а США нині значною мірою залежать від його імпорту. За даними PNNL, запатентована технологія паралельних потоків дозволяє скоротити щонайменше чотири етапи порівняно з традиційним методом.

Розміщення модульних реакторі на узбережжі біля опріснювальних станцій

Щоб не витрачати величезні кошти на перекачування мільйонів літрів морської води лише заради видобутку мінералів, дослідники пропонують розміщувати модульні реактори на узбережжі біля опріснювальних станцій. Такі об’єкти вже перекачують значні обсяги морської води, тому їх можна було б використовувати як частину нової системи.

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. За 100-відсоткового рівня вилучення магнію це дало б 524 000 кілограмів гідроксиду магнію щодня, що більш ніж утричі перевищує нинішній рівень використання гідроксиду магнію у Сполучених Штатах», — розповіла Мартен.

Утилізація висококонцентрованого розсолу

Після вилучення магнію вода могла б і надалі проходити через систему зворотного осмосу, перетворюючись на прісну воду. Одночасно утворювався б висококонцентрований розсіл.

У традиційних системах опріснення такий розсіл зазвичай створює проблему з утилізацією: через надзвичайно високу концентрацію він потребує особливо обережного поводження. 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 використовують 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 тієї самої концентрації.

Вилучення металів із морських рослин

Третій напрям роботи PNNL стосується вилучення металів із морських рослин. Науковці встановили, що морські водорості можуть накопичувати критично важливі мінерали з навколишньої води у власних 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», — сказав ботанік-дослідник Морської дослідницької лабораторії PNNL Скотт Едмундсон.

Для вилучення накопичених мінералів зібрані морські водорості спочатку подрібнюють до утворення 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 непросто.

Паралельно науковці шукають способи повторного використання залишкової біомаси водоростей — зокрема для виробництва хімічних речовин, палива та добрив. Потенційно в цьому напрямку можуть стати корисними й інші подібні технології. Наприклад, Корейський інститут геонаук і мінеральних ресурсів розробив метод перетворення вологої кавової гущі на біопаливо, характеристики якого можна порівняти з антрацитовим вугіллям.

Спосіб використання відпрацьованої кислоти

Окремий напрям досліджень стосується кислого «відходу», який утворюється під час процесу BPMED і вже знайшов потенційне застосування як вилуговувальний агент. В іншому експерименті фахівці PNNL додавали кислий потік BPMED до культур швидкорослих мікроводоростей. Кислота зробила вуглекислий газ, розчинений у морській воді, доступнішим 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 із 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 вилуговувальний агент для вилучення 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 уже 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. Нині вони поступово розвиваються в напрямку, який у майбутньому може зробити технології видобутку ресурсів із морської води комерційно життєздатними.

До слова, 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.