В открытой лаборатории на берегу залива Сёким в штате Вашингтон, среди рядов стеклянной посуды, наполненной морской водой и зелёными и фиолетовыми водорослями, исследователи изучают новый способ производства критически важных минералов, которые необходимы в повседневной жизни.
Редкие минералы из океана
Минералы, известные как редкоземельные элементы, такие как неодим, являются одними из важнейших компонентов нашей электроники, транспортных средств и зданий. Они традиционно добываются под землёй. Теперь исследователи из Тихоокеанской северо-западной национальной лаборатории (PNNL) Министерства энергетики США (DOE) изучают новый источник руды, плавающий у побережья страны: водоросли.
Исследователи из кампуса PNNL в Сёкиме выращивают несколько видов водорослей в морской воде из залива Сёким и изучают различные методы извлечения минералов из их листоподобных тканей.
«Океан — это крупнейший источник многих критически важных минералов, которые нам нужны для высокотехнологичных применений, — сказал Майкл Хьюзманн, главный исследователь проекта по биодобыче в лаборатории PNNL в штате Вашингтон. — Если мы сможем использовать морскую воду и сделать это ответственно, это потенциально позволит создать внутренний источник критически важных материалов».
Водоросли как источник минералов
Исследователи давно предполагали, что океан может стать новым рубежом для производства ценных минералов, — сказал Скотт Эдмундсон, исследователь-ботаник в лаборатории PNNL в Сёкиме.
Когда ветер, дождь и проточная вода разрушают горные породы, а люди удобряют почву, критически важные минералы попадают в океан. Одновременно минералы поступают из глубин земной коры на дно океана через подводные вулканы и гидротермальные источники.
Проблема в том, что океан настолько огромен — в нём содержится 300 миллионов кубических миль воды, — что концентрация минералов в нём слишком мала для извлечения с помощью традиционных технологий. Единственный способ получить доступ к этим минералам — сконцентрировать их с помощью новых подходов.
Как оказалось, водоросли — отличные собиратели минералов, — сказал Эдмундсон. Хотя исследователи не уверены, почему и как это происходит, они знают, что виды водорослей, которые вы видите разбросанными вдоль береговой линии, могут содержать ряд критически важных минералов. И иногда концентрация этих минералов в водорослях превышает концентрацию в океанской воде более чем в миллион раз.
Исследование видов водорослей
Хьюзманн и его коллеги изучают различные виды водорослей, чтобы выяснить, какие минералы они накапливают и в каком количестве. Например, они обнаружили, что кожистый вид бурых водорослей под названием Fucus особенно хорошо накапливает никель в своих тканях. Зелёная листовая водоросль под названием Ulva, между тем, лучше накапливает редкоземельные элементы. В конце концов, исследователи выяснили, что Ulva (более известная как морской салат) лучше всего накапливает ряд критически важных минералов.
Теперь, когда исследователи понимают, какие виды водорослей лучше всего накапливают какие минералы, возникает следующий вопрос: как их извлечь? Кобальт или диспрозий не посыпаны на поверхности водорослей, как сахарная пудра. Минералы включены в ткани водорослей, — сказал Эдмундсон.
Это означает, что химические связи, удерживающие минералы на месте, необходимо разрушить.
Исследователи экспериментировали с несколькими методами извлечения минералов из водорослей, пытаясь найти наименее энергоёмкий процесс. После многочисленных испытаний исследователи нашли процесс, который дал хорошие первоначальные результаты: после того как водоросли выросли в достаточном количестве, исследователи сначала измельчают их в пасту, затем смешивают эту пасту с кислой жидкостью, которая может отделить нужный минерал.
Процесс извлечения минералов
Известные как «ликвианты», кислые жидкости используются в стандартной добыче руды для извлечения минералов из горных пород. Когда паста из водорослей смешивается с «ликвиантом», рН смеси снижается (или становится более кислым), вызывая отделение целевого минерала от водорослей. Смесь также подвергается воздействию высоких температур, которые могут помочь разрушить химические связи.
Первоначальная цель команды — извлечь не менее 50% содержания критически важных минералов из биомассы водорослей, — сказал Хьюзманн. Исследователи экспериментировали с различными «ликвиантами», различными температурами и многократной обработкой смеси, чтобы получить как можно больше критически важных минералов.
Совершенствование метода извлечения — это только начало, — сказал Хьюзманн. Для того чтобы биодобыча была жизнеспособным процессом, команда также анализирует экономические затраты и выгоды, связанные с этим процессом.
В настоящее время исследователи используют отходы кислот из других процессов, таких как повышение щёлочности океана, для извлечения минералов.
С положительной стороны, водоросли растут быстро и не требуют пресной воды. Более того, после извлечения минералов оставшуюся биомассу можно использовать для производства биотоплива или для получения биопродуктов, таких как пластмассы, строительные материалы или даже клеи.
Эдмундсон также отметил, что из-за значительного разнообразия видов водорослей и минералов, которые они накапливают, добыча критически важных минералов может быть адаптирована к будущим технологическим потребностям.
«Разнообразие настолько велико, что вы можете выбрать и вырастить организм, который вам нужен для получения конкретного критически важного минерала, — сказал Эдмундсон. — Критически важный минерал сегодняшнего дня может не быть критически важным минералом завтрашнего дня. И гибкость биоаккумуляции минералов водорослями такова, что позволяет нам точно настроить технологию для удовлетворения потребностей момента».
Предоставлено Тихоокеанской северо-западной национальной лабораторией.