Морская вода станет главным источником энергии будущего: что придумали ученые

Море / © Unsplash

Ученые выяснили, что небольшая часть мирового океана скрывает запасы критически важных элементов, способных обеспечить человечество энергией на 50 тыс. лет. Исследователи разрабатывают инновационные технологии для добычи магния, лития и никеля непосредственно из морской воды.

Об этом пишет New Atlas.

Исследователи Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории Министерства энергетики США (PNNL) работают над тремя разными технологиями и процессами, призванными сделать добычу полезных ископаемых из морской воды более практичной. В то же время, некоторые из этих подходов могут превратить морскую воду в своеобразный «инструмент» для традиционной горнодобывающей промышленности.

Один из разработанных методов позволяет непосредственно добывать гидроксид магния из морской воды, обходя несколько сложных этапов, обычно используемых в традиционных технологиях.
Другой предполагает применение концентрированного рассола, остающегося после опреснения: его превращают в кислоты и щелочи, которые затем используют в качестве выщелачивающих агентов для извлечения металлов из наземных руд.
Третий подход предполагает использование морских водорослей, способных накапливать минералы, концентрация которых в воде слишком низка для традиционной экономически выгодной добычи.

Какие элементы ученые уже смогли получить из морской воды?

Используя эти технологии, специалисты PNNL уже смогли получить магний, литий, никель, металлы платиновой группы и редкоземельные элементы непосредственно из морской воды или с помощью химических веществ, произведенных из нее.

В морской воде содержатся огромные запасы критически важных минералов, включая магний, никель, редкоземельные металлы и литий. Несмотря на то, что для многих это может быть новостью, сама идея добычи таких ресурсов из морской воды не нова. Так, Соединенные Штаты в течение 50 лет получали магний из морской воды, прежде чем в 1990-е годы перейти на импорт. А восемь лет назад в рамках предварительного исследования ученые PNNL смогли изъять из морской воды 5 г урана.

Основная сложность, однако, заключается в очень низкой концентрации большинства критически важных элементов. Поэтому их добыча часто оказывается экономически невыгодной. Исследователи отмечают, что в 600 тыс. галлонах (2 271 247 л) морской воды — объеме, достаточном для заполнения бассейна олимпийского размера, содержится всего 0,42 кг лития и 0,00095 кг никеля. Это меньше, чем весит обычная канцелярская скрепка.

С магнием ситуация совсем другая. В таком же объеме морской воды содержится около 2980 кг этого элемента. Для сравнения, это примерно вес грузовика Ford F-250 Super Duty Cargo Truck 2024 года. То есть речь идет о действительно большом ресурсе.

Планы исследователей по добыче элементов из морской воды

Технологии извлечения магния из морской воды уже существуют, однако они сложны и предполагают много последовательных этапов. К тому же такие способы разработаны в большей степени конкретно для магния. Ученые PNNL стремятся создать более универсальные решения, которые упростят получение магния и одновременно позволят извлекать из того же потока воды другие полезные минералы.

«Наша цель — максимально увеличить количество долларов на кубический метр морской воды, которое мы перекачиваем, и использовать эту воду эффективно и ответственно. Из морской воды мы можем извлекать эти важные материалы. Проблема будет заключаться в масштабировании этих технологий, чтобы они стали экономически целесообразными», — объяснила химик и руководительница проекта Чинмайи Суббан.

Проект по добыче магния

Концепция исследователей состоит из трех отдельных, но взаимосвязанных и потенциально интегрированных проектов. Первый посвящен непосредственно добыче магния.

Традиционно для получения магния используют процесс Доу. Это сложная многоступенчатая технология, в пределах которой известь или оксид кальция применяют для осаждения гидроксида магния. Далее вещество обрабатывают соляной кислотой, чтобы получить хлорид магния, после чего проводят электролиз для производства металлического магния. И это только упрощенное описание всего процесса.

В PNNL был предложен альтернативный подход. Вместо того чтобы добавлять известь для образования гидроксида магния, исследователи пропускают морскую воду и щелочной раствор, например гидроксид натрия параллельными потоками через специальный реактор. На узкой границе между ними ионы магния вступают в реакцию с гидроксид-ионами, в результате чего образуется твердый гидроксид магния.

При формировании осадка он создает тонкий барьер, препятствующий дальнейшему смешиванию потоков и не позволяющий кальцию из морской воды присоединяться к осадку. Новая жидкость непрерывно проходит через реакционный предел еще до того, как система успевает достичь химического равновесия. Благодаря этому реактор может производить гидроксид магния высокой чистоты без дополнительных этапов отделения кальция, необходимых после интенсивного смешивания в традиционном процессе Доу.

Ученые остановились именно на производстве гидроксида магния, ведь этот материал уже имеет коммерческую ценность, а США сейчас в значительной степени зависят от его импорта. По данным PNNL, запатентованная технология параллельных потоков позволяет сократить не менее четырех этапов по сравнению с традиционным методом.

Размещение модульных реакторов на побережье возле опреснительных станций

Чтобы не тратить огромные средства на перекачку миллионов литров морской воды только ради добычи минералов, исследователи предлагают размещать модульные реакторы на побережье у опреснительных станций. Такие объекты уже перекачивают значительные объемы морской воды, поэтому их можно было использовать как часть новой системы.

Инженер по окружающей среде PNNL Брук Мартен смоделировала такую концепцию на примере опреснительной станции Carlsbad в Калифорнии.

«Станция Carlsbad ежедневно перерабатывает 108 миллионов галлонов морской воды. При 100-процентном уровне извлечения магния это дало бы 524 000 килограммов гидроксида магния ежедневно, что более чем в три раза превышает нынешний уровень использования гидроксида магния в Соединенных Штатах», — рассказала Мартен.

Утилизация высококонцентрированного рассола

После извлечения магния вода могла бы и дальше проходить через систему обратного осмоса, превращаясь в пресную воду. Одновременно образовывался высококонцентрированный рассол.

В традиционных системах опреснения такой рассол обычно создает проблему с утилизацией: из-за чрезвычайно высокой концентрации он нуждается в особо осторожном обращении. Однако в концепции PNNL этот побочный продукт может стать частью дальнейшего процесса.

Рассол обрабатывают посредством электродиализа с биполярными мембранами (BPMED). В этом процессе электричество и специальные мембраны разделяют очень соленый раствор на кислый и щелочной потоки. Щелочной поток можно вернуть в море, в то время как кислый побочный продукт используют для следующего этапа добычи.

В традиционной горнодобывающей промышленности кислоты применяют для выщелачивания металлов — их растворяют из измельченной горной породы. Исследователи PNNL использовали полученную кислоту для обработки оливина — распространенного зеленоватого минерала, содержащего небольшое количество никеля.

Оливин в этом опыте содержал только 0,27% никеля. Однако после обработки отработанной кислотой из демонстрационной установки BPMED при комнатной температуре исследователям удалось извлечь на 37% больше никеля, чем с помощью коммерческой соляной кислоты той же концентрации.

Извлечение металлов из морских растений

Третье направление работы PNNL касается извлечения металлов из морских растений. Ученые установили, что морские водоросли могут накапливать критически важные минералы из окружающей воды в собственных тканях. В некоторых случаях концентрация таких веществ в растениях многократно превышает их содержание в морской воде.

«Некоторые критически важные материалы содержатся в морских водорослях в концентрациях, в миллион раз превышающих их концентрацию в окружающей морской воде», — сказал ботаник-исследователь Морской исследовательской лаборатории PNNL Скотт Эдмундсон.

Для извлечения накопленных минералов собранные морские водоросли сначала измельчают до влажной пасты. Затем к ней добавляют кислый раствор для выщелачивания и нагревают смесь, чтобы разрушить химические связи, содержащие элементы в тканях растений. Исследователи поначалу задались целью изымать не менее половины минерального содержания водорослей, однако в PNNL признают, что стабильно достигать такого показателя пока непросто.

Параллельно ученые ищут способы повторного использования остаточной биомассы водорослей, в частности, для производства химических веществ, топлива и удобрений. Потенциально в этом направлении могут оказаться полезными и другие подобные технологии. Например, Корейский институт геонаук и минеральных ресурсов разработал метод превращения влажной кофейной гущи в биотопливо, характеристики которого сопоставимы с антрацитовым углем.

Способ использования отработанной кислоты

Отдельное направление исследований касается кислого «отхода», который образуется во время процесса BPMED и уже нашел потенциальное применение в качестве выщелачивающего агента. В другом эксперименте специалисты PNNL добавляли кислый поток BPMED к культурам быстрорастущих микроводорослей. Кислота сделала углекислый газ, растворенный в морской воде, более доступным для фотосинтеза, благодаря чему микроводоросли начали расти примерно втрое быстрее.

В то же время, этот эксперимент непосредственно не касался добычи минералов, поскольку использованный вид микроводорослей не накапливает их в своих тканях. Таким образом, исследование скорее продемонстрировало еще один потенциальный способ использования отработанной кислоты.

В результате, несколько команд PNNL работают над отдельными, но взаимосвязанными направлениями, которые могут сформировать комплексную систему добычи металлов из морской воды. Технология параллельных потоков позволяет получать коммерчески ценный гидроксид магния. После этого оставшуюся морскую воду можно опреснять, разделяя ее на кислый и щелочной побочные потоки.

Кислый продукт, в свою очередь, может использоваться как выщелачивающий агент для извлечения никеля из оливина — наземной горной породы — или как добавка для стимулирования роста водорослей. Параллельно исследователи продолжают изучать возможности извлечения критически важных минералов непосредственно из морских водорослей.

Технология имеет ряд существенных ограничений

Впрочем, эта технология все еще имеет ряд существенных ограничений. PNNL уже продемонстрировала возможность получения указанных материалов в лабораторных условиях, но промышленный комплекс, способный экономически выгодно извлекать минералы из океанской воды, пока не создан.

Остаются и экологические вопросы. Среди них возможны химические выбросы, обращение с концентрированным рассолом, последствия масштабного забора морской воды и потенциальное влияние на морские экосистемы. Исследователи признают важность этих проблем, однако комплексных решений для них пока нет.

Особенно ранней остается технология, связанная с морскими водорослями. Для ее масштабирования понадобятся промышленное выращивание, сбор огромных объемов биомассы и дальнейшее эффективное извлечение минералов.

Несмотря на все эти вызовы, междисциплинарные проекты PNNL обладают значительным потенциалом. В настоящее время они постепенно развиваются в направлении, которое в будущем может сделать технологии добычи ресурсов морской воды коммерчески жизнеспособными.

К слову, инженеры Гонконгского университета создали новый генератор MEG с катионным гидрогелем, который производит электроэнергию из влаги в воздухе даже при низкой влажности. Благодаря специальному градиенту концентрации соли устройство обеспечивает стабильную работу без резких просадок напряжения. Разработка имеет низкое внутреннее сопротивление, работает бесперебойно более 50 дней и способна напрямую питать умные гаджеты и мини-девайсы.